Metody kształtowania i oceny właściwości użytkowych cementów chirurgicznych

• Autorzy: Balin A. , Toborek J.

Warianty tytułu

EN

The form and estimation methods of of the surgical cements usability properties

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy dokonano próby modyfikacji cementów chirurgicznych na osnowie PMMA w celu poprawy ich właściwości fizycznych. Modyfikacja ta obejmowała dodanie antybiotyku nowej generacji w celu poprawy właściwości biologicznych cementów - w zabiegach rewizyjnych, a także dodanie ceramiki tlenkowej A1203 lub beztlenkowej (węgiel szklisty) w celu obniżenia skurczu i temperatury polimerycji. Metodyka oceny właściwości użytkowych cementów chirurgicznych powinna opierać się między innymi na analizie obciążeń oddziałujących na cement w warunkach jego użytkowania w organizmie człowieka. W przypadku, gdy cement stosowany jest do mocowania endoprotez stawów, istotnego znaczenia nabiera zmęczeniowy charakter mechanicznych oddziaływań w cemencie. Ze względu na takie, w głównej mierze, przeznaczenie funkcjonalne cementu, w pracy zaproponowano adaptację metodyki badań zmęczenia niskocyklowego do oceny cech wytrzymałościowych cementów. Podjęto próbę matematycznego opisu zjawisk Teologicznych w cemencie chirurgicznym, zaobserwowanych w czasie badań zmęczeniowych niskocyklowych - cyklicznej relaksacji oraz cyklicznego pełzania. Modelowanie obciążeń cementu w sztucznym stawie biodrowym przy zastosowaniu metody badań zmęczenia niskocyklowego uwzględnia oddziaływanie naprężeń o najwyższych wartościach, podczas gdy cement eksploatowany jest w sztucznym stawie przez wiele lat w warunkach losowych przebiegów naprężeń i odkształceń. W związku z tym uzyskane dla modeli wartości odkształceń i naprężeń są większe, niż mogłyby być osiągnięte w rzeczywistych obiektach w tym samym czasie. Przyjęte metody badań przyspieszają zatem osiągnięcie granicznych wartości odkształceń, naprężeń i trwałości. Taki sposób modelowania obciążeń umożliwia wykonanie badań w krótkim czasie. Badania in vivo na zwierzętach doświadczalnych, którym wszczepiono cement chirurgiczny z domieszką antybiotyku, a także z domieszką tlenku glinu, nie wykazały nieprawidłowości w reakcji organizmu na wszczepy. Wyniki badań oraz ich analiza mogą stanowić podstawę dla próby ujęcia wzajemnych relacji pomiędzy elementami metody oceny przydatności cementów chirurgicznych dla endoprotezoplastyki na drodze kształtowania ich właściwości użytkowych.

EN

In this work surgical cements have been modified in order to improve their physical properties. This modification has been consist in addition of the new generation antibiotic in order to improve biological properties of cement as well as addition of the ceramic materials (A1203, glassy-like coal) to improve reduction of shrinkage and polymerization temperature. The methodology of researches surgical cements should be based among other things on the analysis of loadings imposed on cements in the human body environment. In case when cement is used to fix endoprostheses of joints the fatigue character of mechanical interaction in the cement seems to be of a significant importance. Since cement is viewed to exhibit all the above mentioned functional purposes the paper suggests to adapt the research method of low cycle fatigue in order to assess strength properties of the material (Fig. 8). Mathematical description of rheological phenomena in surgical cements which occurred at low cycle fatigue tests has been attempted at. Calculations of stress changes in time for the elaborated model of cyclic relaxations well as deformation changes in time for the model of cyclic creep have been done (Fig. 9,10). Modelling the loadings of cement in endoprostheses of joints with the low cycles fatigue method takes into account ' all high value stress, while cement is being used for endoprostheses for many years in the conditions of random stress and deformation courses. Therefore the obtained stress and deformation values for models are bigger than those which would have been obtained in real conditions in the same time. The methods applied help to reach the boundary values of deformation, stress and durability much quicker. Such modelling of loads enables to carry out the tests in a shorther period of time. In vivo researches performed on animals with the implanted surgical cements and antibiotics admixture as well as aluminium oxide admixture did not show any disorders in functioning of human body in connection with the implants. The results and their analysis are the basis for synthetic approach the interdependence between the elements of the assessment method of usability properties of surgical cements.

Słowa kluczowe

PL

cement chirurgiczny; metody kształtowania; implant; endoprotezoplastyka

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 2
• Strony: 83--90
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Balin A.

autor

Toborek J.

• Katedra Mechaniki Materiałów, Politechnika Śląska,

Bibliografia

• [1] Balin A.: Mechaniczne i materiałowe uwarunkowania stabilności i trwałości endoprotezy stawu biodrowego – studium zagadnienia. Inżynieria Materiałowa, 2, 1997, s. 44-52
• [2] Balin A.: Właściwości biomateriałów stosowanych jako wypełniacze w chirurgii kostnej. Annales Academiae Medicae Silesiensis, supl. 29, Katowice 1999. Materiały II Sympozjum „Biomechanika w implantologii”, s. 9-16
• [3] Balin A.: Materiałowo uwarunkowane procesy adaptacyjne i trwałość cementów stosowanych w chirurgii kostnej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Nr 1610, Hutnictwo z. 69. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004
• [4] Kreczko R., Małdyk P., Orłoś Z.: Niektóre aspekty aseptycznych obluzowań totalnych endoprotez stawu biodrowego. Annales Academiae Silesiensis, supl. 32, Katowice 2001, s. 93-102
• [5] Salamon Z., Ratomski R.: Kierunki rozwoju alloplastyki cementowej stawu biodrowego. Pamiętnik XXVII Zjazdu Naukowego PTO i Tr., Warszawa 1988, s. 31-37
• [6] Toborek J.: Wczesne wyniki stabilno-odciążeniowej metody kotwiczenia trzpienia endoprotezy w cementowej alloplastyce stawu biodrowego. Praca doktorska. Śląska Akademia Medyczna, Katowice 1992
• [7] Tylman D., Tuszyński W., Włodarczyk R.: Powikłania śródoperacyjne wczesne i późne. Pam. XXVII Zj. Nauk. PTO i Tr., Warszawa 1988, s. 38-41
• [8] Cannon R. H.: Dynamika układów fi zycznych. WNT, Warszawa 1973
• [9] Dobosiewicz K., Toborek J., Balin A.: Badania niskocykliczne w symulacji obciążeń sztucznego stawu biodrowego. Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 59, supl. 4, 1994, s. 88-93
• [10] Dobosiewicz K., Toborek J., Lamber T., Okrajni J., Balin A.: Kryteria oceny trwałości sztucznego stawu biodrowego. Inżynieria Materiałowa, 6, 1994, s. 154-158
• [11] Będziński R.: Biomechanika inżynierska. Zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997
• [12] Kozłowska A.: Badania warunków polimeryzacji mas akrylowych jako implantów. Polimery w Medycynie, t. 7, 3, 1977, s. 137-177
• [13] Lee A.J.C.: Cement strength-relationship with bone-comparison of different available cement. Revision Arthroplasty. Proc. of a Symposium held at Sheffield Univ. 1979, p. 5-17
• [14] Thanner J., Freij-Larsson Ch., Karrholm J., Malchau H., Wesslen B.: Evaluation of Boneloc. Chemical and mechanical properties, and a randomized clinical study of 30 total hip arthroplasties. Acta Orthop. Scand., 66, 3, 1995, p. 207-214
• [15] Zimmer K., Pradellok W.: Cementy kostne. W: Kuś H.: Problemy biocybernetyki i inżynierii biomedycznej. Red. M. Nałęcz, t. 4, Biomateriały, Warszawa 1990, s. 251-263
• [16] Polesiński Z., Karaś J.: Cementy kostne i stomatologiczne. W: Błażewicz S., Stoch L.: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000. Pod red. M. Nałęcza, t. 4, Biomateriały. Akademicka Ofi cyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003, s. 179-209
• [17] Łukaszczyk J.: Polimerowe i kompozytowe cementy kostne oraz materiały pokrewne. Polimery nr 2, 49, 2004, s. 79-88
• [18] Kühn K.-D.: Bone Cements. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000.
• [19] Walenkamp G.H.I.M., Murray D.W. (Eds.): Bone Cements and Cementing Technique. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000
• [20] Campbell’s Operative Orthopaedics, t. IV, Wyd. The C.V. Mosby Company. St. Louis Washington, D.C. Toronto 1987
• [21] Toborek J., Balin A., Nowara T., Parafi niuk W., Szewczyk P.: Zdolność komponentów sztucznego stawu biodrowego do tłumienia drgań jako jeden z czynników determinujących jego biofunkcjonalność. Materiały Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej „Biomechanika’ 95”, Kraków 1995, s. 265-269
• [22] Graham J., Pruitt L., Ries M., Gundian N.: Fracture and Fatigue Properties of Acrylic Bone Cement. The Journal of Arthroplasty, vol. 15, 8, 2000, s. 1028- 1035
• [23] Lewis G., Mladsi S.: Correlation between impact strength and fracture toughness of PMMA-based bone cements. Biomaterials, 21, 2000, p. 775-781
• [24] Lewis G., Nyman J., Trieu H.H.: The apparent fracture toughness of acrylic bone cement: effect of three variables. Biomaterials, 19, 1998, p. 961-967
• [25] Gierzyńska-Dolna M.: Rola procesów tribologicznych w utracie stabilności endoprotez. Annales Academiae Medicae Silesiensis, supl. 32, Katowice
• 2001. Materiały III Sympozjum „Biomechanika w implantologii”, s. 75-80 [26] Balin A., Myalski J., Pucka G., Toborek J.: Wpływ domieszki materiału ceramicznego na właściwości fi zykochemiczne cementu chirurgicznego. Polimery 2006, 51, nr 11-12, s. 852-858
• [27] Bieniek J., Święcki Z., Karaś J., Badura R., Buczek A., Rosiek G., Werner B.: Potencjalne możliwości zastosowania cementów fosforanowych dla celów ortopedycznych – badania własne. Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 59, supl. 2, 1994,s. 34-39
• [28] Morita S., Furuya K., Ishihara K., Nakabayashi N.: Performance of adhesive bone cement containing hydroxyapatite particles. Biomaterials, 19, 1998, p. 1601-1606
• [29] Mousa W. F., Kobayashi M., Shinzato S., Kamimura M., Neo M., Yoshihara S., Nakamura T.: Biological and mechanical properties of PMMA-based bioactive bone cements. Biomaterials, 21, 2000, p. 2137-2146
• [30] Von Grabowski M.T.W., Mittelmeier H.: Aktualne możliwości i perspektywy wykorzystania tworzywa węglowego w chirurgii urazowo-ortopedycznej z uwzględnieniem osteosyntezy trzonów kości długich. Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 59, supl. 2, 1994, s. 34-39
• [31] Nelson C. L., Evans R. P., Blaha J. D., et. al.: A comparison of Gentamicinimpregnated polymethylmethacrylate bead implantation to conventional parenteral antibiotic therapy in infected hip and knee arthroplasty. Clin. Orthop., 295, 1993, s. 96-101
• [32] Ballard W. T., Callaghan J. J., Johnston R. C.: Revision of total hip arthroplasty in octogenarians. J. Bone Joint Surg., 77-A, 4, 1995, p. 585-589
• [33] Hanssen A. D., Rand J. A., Osmon D. R.: Treatment of the infected total knee arthroplasty with insertion of another prosthesis. The effect of antibiotic-impregnated bone cement. Clinical Orthopaedics and Related Research, 309, 1994, p. 44-55
• [34] Trippel S. B.: Antibiotic-impregnated cement in total joint arthroplasty. J. Bone Joint Surg., 68-A, 1986, p. 1297-1302
• [35] Marciniak J.: Biomateriały w chirurgii kostnej. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1992
• [36] Oczoś K. E.: Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996
• [37] Śleziona J.: Podstawy technologii kompozytów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998
• [38] Rymuza Z.: Tribologia polimerów ślizgowych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1986
• [39] Mechanizmy pękania i trwałość nowych biomateriałów stosowanych jako wypełniacze w chirurgii kostnej stawu biodrowego. Sprawozdanie z projektu badawczego KBN Nr 7 T08E 029 16 (kierownik projektu: Alicja Balin), 1999-2000
• [40] Kształtowanie właściwości kompozytów polimerowych stosowanych w ortopedii. Sprawozdanie z projektu badawczego KBN Nr 4 T08E 016 22 (kierownik projektu: Alicja Balin), 2002-2004
• [41] Encyklopedia Techniki, Materiałoznawstwo. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1975
• [42] Okrajni J., Balin A.: Estimation of the ceramic admixture influence on the polymerization temperature for surgical cement. Journal of Medical Informatics & Technologies, vol. 6, 2003. Published by: Dept. of Computer Systems University of Silesia, pp. IT-127-135
• [43] Pod red. Z. Orłosia: Naprężenia cieplne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991
• [44] Tajc N. Ju.: Tiechnołogija nagriewa stali. Gosudarstwiennoje Nauczno-Tiechniczeskoje Izdatielstwo Litieratury po Cwietnoj Mietałłurgii, Moskwa 1950
• [45] Balin A., Pucka G., Toborek J., Gajda Z.: Method of contraction and polymerization temperature testing for surgical cement. Journal of Medical Informatics & Technologies, vol. 4, 2002. Published by: Dept. of Computer Systems University of Silesia, pp. MT-57-61
• [46] Balin A., Ziemba S., Plaza M., Myalski J., Toborek J.: Examination of heat flow in a model of the biomechanical prosthesis-cement-bone system. Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, z. 26, Gliwice 2006, Międzynarodowa Konferencja Biomechanika’06, s. 29-34
• [47] Toborek J., Gajda Z., Balin A.: Wpływ środowiska organizmu na właściwości bakteriostatyczne i mechaniczne cementu Palacos R z domieszką antybiotyku. Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 67, 6, 2002, s. 605-611
• [48] Toborek J., Gajda Z., Balin A.: Wpływ środowiska organizmu na właściwości bakteriostatyczne i mechaniczne cementu Palacos R z domieszką antybiotyku– część druga. Chir. Narz. Ruchu Ortop. Pol., 70, 2, 2005, s. 115-118
• [49] Balin A.: Matematyczne ujęcie zjawisk reologicznych w cemencie chirurgicznym jako komponencie sztucznego stawu biodrowego. Inżynieria Materiałowa Nr 3, 2005, s. 131-134
• [50] Hyla I.: Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. PWN, Warszawa 1978