Matematyczne ujęcie zjawisk reologicznych w cemencie chirurgicznym jako komponencie sztucznego stawu biodrowego

• Autorzy: Balin A.

Warianty tytułu

EN

Mathematical formulation of rheological phenomena of surgical cement as hip component

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metodyka badań 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. W pracy podjęto próbę matematycznego opisu zjawisk reologicznych w cemencie chirurgicznym, zaobserwowanych w czasie badań zmęczeniowych małocyklowych (rys. 3). Przeprowadzono obliczenia zmiany naprężeń w czasie (rys. 4) dla opracowanego modelu cyklicznej relaksacji (rys. 1, 2) oraz zmiany odkształceń w czasie (rys. 7) dla modelu cyklicznego pełzania (rys. 5, 6). Opracowane modele matematyczne dobrze aproksymują eksperymentalne wyniki badań zmęczeniowych w zakresie małej liczby cykli (N = 10 5). Modelowanie obciążeń cementu w sztucznym stawie biodrowym przy zastosowaniu metody badań zmęczenia małocyklowego 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.

EN

The methology 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 interreaction in the cement seems to be of a significant importance. Mathematical description of rheological phenomena in surgical cements which occured at Iow cycle fatigue tests has been attempted at (Fig. 3). Calculations of stress changes in time (Fig. 4) for the elaborated model of cyclic relaxation (Fig. 1, 2) as well as deformation changes in time (Fig. 7) for the model of cyclic creep (Fig. 5,6) have been done. The worked out mathematical models well approximate the experimental results of fatigue tests in the range of Iow number of cycles (N = 10 5). Modelling the loadings of cement in endoprostheses of joints with the Iow cycle fatigue method takes into account all high value stresses, 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 the 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 shorter period of time.

Słowa kluczowe

PL

model matematyczny; reologia; cement chirurgiczny; endoproteza

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 26, nr 3
• Strony: 131--134
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Balin A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Kozłowska A.: Badania warunków polimeryzacji mas akrylowych jako implantów. Polimery w Medycynie, t. 7, 1997, 3. s. 137-177
• [2] 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.
• [3] 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, 1995, 3, p. 207-214
• [4] Zimmer K., Pradellok W.: Cementy kostne. W: Kuś H.: Problemy biocybernetyki i inżynierii biomedycznej. Red. M. Nalęcz, t. 4, Biomateriały, Warszawa 1990, s. 251-263
• [5] Lu Z., Mc Kellop H.: Effects of cement creep on stem subsidence and stresses in the cement mantle of a total hip replacement. Journal of Biomedical Materials Research, vol. 34, 1997, p. 221-226
• [6] Yerdonschot N., Huiskes R.: Subsidence of THA stems due to acrylic cement creep is extremely sensitive to interface friction. J. Biomechanics, vol. 29, 1996, 12, p. 1569-1575
• [7] Balin A., Toborek J.: Badanie zachowania się cementu chirurgicznego w warunkach obciążeń zmiennych. Materiały XIII Szkoły „Biomechanika", Poznań 1996, s. 24-28
• [8] Balin A., Toborek J., Cieśla M., Gajda Z.: Wpływ domieszki antybiotyku na zachowanie się cementu chirurgicznego w warunkach obciążeń zmiennych. Annales Academiae Medicae Silesiensis, supl. 31, Katowice 2000. Materiały IV Konferencji „Biomateriały i mechanika w stomatologii", s. 25-28
• [9] Balin A.: Materiałowo uwarunkowane procesy adaptacyjne i trwałość cementów stosowanych w chirurgii kostnej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Nr 1610, Hutnictwo z. 69, Gliwice 2004
• [10] Broniewski T.. Iwasiewicz A., Kapko J., Płaczek W.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych. WNT, Warszawa 1970
• [11] Ferry J. D.: Viscoelastic Properties of polymers. New York - London 1961
• [12] Hyla L: Tworzywa sztuczne. Własności - przetwórstwo — zastosowanie. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999
• [13] Hyla L: Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. PWN, Warszawa 1978
• [14] Przygocki W., Włochowicz A.: Fizyka polimerów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001
• [15] Wilczyński A. P.: Mechanika polimerów w praktyce konstrukcyjnej. WNT, Warszawa 1984
• [16] Nowara T., Toborek J., Balin A.: Wyznaczanie stałych materiałowych lepkospreżystych komponentów naturalnego i sztucznego stawu biodrowego w oparciu o pomiary wykonane techniką DMTA. Materiały XIII Szkoły Biomechanika, Poznań 1996, s. 340-343
• [17] Śleziona J.: Podstawy technologii kompozytów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998