Master's Thesis

Impact of Surface Modifications on Implant Friction Characteristics

Final Thesis 8.81 MB Appendix 59.29 kB

Author of thesis: Ing. Ondřej Kučera

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matúš Ranuša, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D.

Abstract:

Degenerative diseases of the first metatarsophalangeal joint demand reliable solutions utilizing mobile joint replacements. While the Ti6Al4V alloy offers a favourable elastic modulus that minimizes bone loss, its inherent tribological properties frequently lead to excessive wear and a risk of aseptic loosening. Therefore, this thesis experimentally evaluates the synergistic effect of surface microtextures (fabricated directly via PBF-L additive manufacturing and subsequent laser machining) combined with a protective DLC coating on lubricant film stability and mechanical durability. Tribological behaviour was investigated in-situ on a reciprocating tribometer in a model synovial fluid environment using fluorescence microscopy, complemented by long-term wear tests against a UHMWPE polymer. Data analysis confirmed massive protein retention in textured samples equipped with the DLC coating. This phenomenon results in a “friction paradox” – the formed stiff protein gel locally increases viscous drag (and thus macroscopic friction), yet completely eliminates mechanical wear of the metallic pin, even under an identified extreme real contact pressure (45 MPa). However, a profound difference was revealed between manufacturing technologies and their impact on the polymer counter-face. While uncoated laser textures provided the most favourable tribological balance, the application of the hard DLC coating transformed the fixed sharp texture edges (as well as AM structural anomalies) into micro-cutting blades. This resulted in a tribological trade-off, manifested by nearly doubled abrasive wear of the UHMWPE plate. Implementing an additional technological step for targeted edge rounding prior to the coating deposition process thus proves to be an essential prerequisite for the clinical safety of the implant.

Keywords:

3D printed Ti6Al4V, surface textures, DLC coating, long-term wear, fluorescence microscopy, joint replacements

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. Otázka oponenta 1: V práci přiznáváte, že testy opotřebení na polymerní destičce UHMWPE byly provedeny pouze s jedním vzorkem. Jakým způsobem navrhujete experimentálně kompenzovat tuto statistickou limitaci v dalším výzkumu? Existují jiné tribologické ukazatele ze záběhové fáze (kde jste měl více vzorků), které by teoreticky dokázaly tento masivní objemový úbytek přesně predikovat? ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 2: Vaše experimentální uspořádání sledovalo pomocí filtrace primárně chování albuminu. Jak by se podle Vašeho teoretického úsudku lišila prostorová retence a stabilita gelu uvnitř textur, pokud byste experimentální sestavu zaměřil čistě na molekuly kyseliny hyaluronové? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Proč došlo k tak velké redukci kontaktní plochy? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jste si jistý, že skutečný kontaktní tlak byl takový, jaký uvádíte? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Čím si vysvětlujete nepravidelnost geometrie povrchu aditivně vyráběných vzorků? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Jakým způsobem probíhala výroba textur na kulovém povrchu? ZODPOVĚZENO doc. Horák: Jste si jist, že byl DLC povlak zhotoven i na dně textur? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Stačí tři vzorky na ověření opakovatelnosti? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Proč vadí narůst tření, když opotřebení pokleslo? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Jaký je poloměr povrchu kloubu? Jaká je obvodová rychlost? Jaká je doba trvání pohybu kloubu při chůzi? Jaký režim mazání můžete očekávat? Jsou na základě těchto veličin Vaše experimentální podmínky relevantní? ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matúš Ranuša, Ph.D.

Diplomovú prácu je možné z obsahovej stránky rozdeliť do dvoch základných častí: jednou je využitie analytických postupov pre hodnotenie topografie povrchov a spracovanie obrazových dat a následne samotné experimenty. Zvolená metodika v spojení s in situ fluorescenčnou mikroskopiou umožnila v reálnom čase sledovať dynamiku synoviálnych proteínov priamo v kontakte kĺbnej náhrady, čo splnilo očakávania a umožnilo naplnenie cieľov práce. Na základe kvalitne spracovanej rešeršnej časti diplomant dokázal formulovať relevantné vedecké otázky a hypotézy, čím správne vyjasnil zameranie práce na funkčné vlastnosti implantátov drobných kĺbov. Bola preukázaná výborná znalosť optických metód a schopnosť vyvodiť z výsledkov zásadné závery, ako je experimentálne potvrdenie vztahu medzi koeficientom trenia a opotrebením pre konkrétne povrchy a identifikácia kritického kompromisu pri použití DLC povlakov.

Samotný prínos práce je zameraný na analýzu vplyvu povrchových úprav na trenie a opotrebenie implantátov zo zliatiny Ti6Al4V, pričom získané výsledky prispievajú k pochopeniu mazacích mechanizmov a k optimalizácii budúcich náhrad. Nedostatok práce vidím v obmedzenej štatistickej reprezentatívnosti dlhodobých testov spôsobených aj technickými nedostatkami simulátora. Každopádne celková kvalita práce je vysoká, o čom svedčí fakt, že časť získaných dát už bola úspešne publikovaná vo vedeckom časopise Tribology Letters a autor má pripravený ďalší kompletný manuskript vedeckého článku. Prácu hodnotím stupňom výborne (A).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Ondřeje Kučery je výjimečná svým metodologickým přesahem a mezioborovým ukotvením. Kombinace aditivní výroby, modifikace povrchu laserem, aplikace in situ fluorescenční triboskopie a automatizovaného zpracování dat (Python) představuje robustní vědecký přístup. Identifikace "tribologického trade-offu" vnáší kritický a praktický pohled do dosavadního paradigmatu ochrany ortopedických implantátů. Práce působí uceleným dojmem a odpovídá kvalitě spíše začínající dizertace než magisterského výstupu. Nejvýraznějším technickým i metodologickým deficitem je omezení dlouhodobých testů opotřebení (300 000 cyklů) na pouhý jeden vzorek z každé konfigurace. V akademickém výzkumu je takto malý soubor neprůkazný pro definitivní vyvození statisticky platných kvantitativních závěrů. Druhou slabinou je určité zjednodušení reálných in vivo podmínek použitím modelové syntetické kapaliny a pouze jednodimenzionální oscilace bez komplexnější kinematiky, na což ale autor sám transparentně upozorňuje.

Práce je kvalitně zpracovaná, s jasnými daty a objektivně vyvozenými (byť statisticky v jednom bodě limitovanými) závěry.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. V práci přiznáváte, že testy opotřebení na polymerní destičce UHMWPE byly provedeny pouze s jedním vzorkem. Jakým způsobem navrhujete experimentálně kompenzovat tuto statistickou limitaci v dalším výzkumu? Existují jiné tribologické ukazatele ze záběhové fáze (kde jste měl více vzorků), které by teoreticky dokázaly tento masivní objemový úbytek přesně predikovat?
  2. Vaše experimentální uspořádání sledovalo pomocí filtrace primárně chování albuminu. Jak by se podle Vašeho teoretického úsudku lišila prostorová retence a stabilita gelu uvnitř textur, pokud byste experimentální sestavu zaměřil čistě na molekuly kyseliny hyaluronové?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová