Wpływ domieszki węgla szklistego do cementu chirurgicznego na jego trwałość i adaptację w organizmie

• Autorzy: Balin A.

Warianty tytułu

EN

The effect of a glassy carbon additive to surgical cement on its durability and adaptation in the organism

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Praca koncentruje się na zagadnieniu modyfikacji cementu chirurgicznego na bazie PMMA cząstkami węgla szklistego w postaci proszku o granulacji 40-160 μm i udziale masowym od 1,6% do 3,1%, pierwotnie w celu obniżenia temperatury polimeryzacji, a następnie w celu zwiększenia trwałości cementu w środowisku organizmu i poprawy właściwości biologicznych granicy międzyfazowej cement-kość. Przeprowadzono badania procesu polimeryzacji cementu niemodyfikowanego oraz modyfikowanego węglem szklistym. Symulując obciążenia cementu podczas ruchu człowieka, a także oddziaływanie środowiska organizmu, przeprowadzono badania zmęczeniowe niskocyklowe próbek z cementu niemodyfikowanego i modyfikowanego w stanie wyjściowym, po moczeniu w roztworze Ringera i po naświetlaniu promieniami RTG w warunkach takich, jak w czasie prześwietlania pacjentów. Cement modyfikowany węglem szklistym implantowano do kości udowych zwierząt doświadczalnych (królików). W warunkach obciążenia zmęczeniowego niskocyklowego cement na osnowie PMMA modyfikowany domieszką węgla szklistego wykazywał mniejszą prędkość cyklicznego pełzania w porównaniu do cementu bez domieszki. Cement modyfikowany węglem szklistym po starzeniu w środowisku roztworu Ringera oraz po naświetlaniu promieniami RTG zachował w większym stopniu swe właściwości lepkosprężyste, niż cement bez domieszki. Wynika z tego, że domieszka węgla szklistego ograniczyła postęp procesu starzenia cementu chirurgicznego. Wyniki badań mikroskopowych preparatów histologicznych pobranych z doświadczalnych królików, którym zaimplantowano zmodyfikowany węglem cement nie wykazały cech świadczących o zwiększonym nasileniu procesów patologicznych. Wykazano, że modyfikacja fizyczna cementu chirurgicznego poprzez zastosowanie domieszki węgla szklistego może obniżyć maksymalną temperaturę układu polimeryzującego.

EN

This paper focuses on the issue of modification of PMMA-based surgical cement with glassy carbon in the form of powder with 40-160 μm granulation, in the amount of 1.6-3.1 w/w %, originally in order to lower the polymerization temperature, and then to increase the durability of cement in the organism environment and to improve biological properties of the cement-bone interphase boundary. Examinations were conducted of the polymerization of both unmodified and modified cement. Simulating a load of cement when the human gait, as well as the impact of the environment of the body, low cycle fatigue tests were carried, using the unmodified and modified cement samples in the initial state, aged in Ringer’s solution and after irradiation with X-RAY. Cement doped with glassy carbon was implanted into femoral bone of experimental animals (rabbits). Under low-cycle fatigue conditions the PMMA-based cement modified with a glassy carbon additive showed a lower cyclic creep rate compared to cement with no additive. After ageing in Ringer’s solution and X-ray exposure the cement modified with glassy carbon retained its viscoelastic properties to a larger degree than the cement with no additive. Therefore, the glassy carbon additive limited the progress of the ageing process of surgical cement. The results of microscopic examinations of histological specimens extracted from laboratory rabbits implanted with cement modified with glassy carbon did not reveal any properties which would indicate increased intensity of pathological processes. A physical modification of bone cement by using a glassy carbon additive caused a decrease in the maximum temperature of polymerizing system.

Słowa kluczowe

PL

cement chirurgiczny; węgiel szklisty; niskocyklowe zmęczenie; temperatura polimeryzacji

EN

surgical cement; glassy carbon; low-cycle fatigue; polymerization temperature

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 131
• Strony: 12--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Balin A.

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Katedra Biomechatroniki, ul. F. Roosevelta 40, 41-800 Zabrze

Bibliografia

• [1] Kühn K-D: Bone Cements. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg 2000.
• [2] Walenkamp G.H.I.M., Murray D.W. (Eds.): Bone Cements and Cementing Technique. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, New York 2001.
• [3] Marciniak J.: Biomateriały. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
• [4] Błażewicz S., Chłopek J., Błażewicz M., Pamuła E.: Biomateriały węglowe i kompozytowe. W monografii: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 (red. Nałęcz M.), t. 4, Biomateriały (red. Błażewicz S.W., Stoch L.). Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003, 331-423.
• [5] Polesiński Z., Karaś J.: Cementy kostne i stomatologiczne. W monografii: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 (red. Nałęcz M.), t. 4, Biomateriały (red. Błażewicz S.W., Stoch L.). Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003, 179-209.
• [6] Łukaszczyk J.: Polimerowe i kompozytowe cementy kostne oraz materiały pokrewne. Polimery 2, 49 (2004) 79-88.
• [7] Balin A.: Materiałowo uwarunkowane procesy adaptacyjne i trwałość cementów stosowanych w chirurgii kostnej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Nr 1610, Hutnictwo z. 69, Gliwice 2004.
• [8] Balin A., Toborek J.: Metody kształtowania i oceny właściwości użytkowych cementów chirurgicznych. Inż. Mat. 2 (2007) 83-90.
• [9] Graham J., Pruitt L., Ries M., Gundian N.: Fracture and Fatigue Properties of Acrylic Bone Cement. The Journal of Arthroplasty 15, 8 (2000) 1028-1035.
• [10] Gierzyńska-Dolna M.: Rola procesów tribologicznych w utracie stabilności endoprotez. Annales Academiae Medicae Silesiensis, supl. 32 (2001) 75-80.
• [11] Balin A., Myalski J., Pucka G., Toborek J.: Wpływ domieszki materiału ceramicznego na właściwości fizykochemiczne cementu chirurgicznego. Polimery 51, 11-12 (2006) 852-858.
• [12] Knets I., Krilova V., Cimdins R., Berzina L., Vitins V.: Stiffness and strength of composite acrylic bone cements. Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 20, 1-2 (2007) 135-138.
• [13] Thanner J., Freij-Larsson Ch., Karrholm J., Malchau H., Wesslen B.: Evaluation of Boneloc. Chemical and mechanical properties, and randomized clinical study of 30 total hip arthroplasties. Acta Orthop. Scand. 66, 3 (1995) 207-214.
• [14] Yamamoto H., Niwa S., Hori M., Hattori T., Sawai K., Aoki S., Hirano M., Takeuchi H.: Mechanical strength of calcium phosphate cement in vivo and in vitro. Biomaterials 19 (1998) 1587-1591.
• [15] Karas J., Pielka S., Paluch D., Ciołek L., Traczyk S.: Wpływ zastosowanych płynów do zarabiania proszku o składzie: αTCP-DCPD na właściwości fizyczne i biozgodność otrzymywanych cementów kostnych. Engineering of Biomaterials 58-60 (2006) 241-245.
• [16] Balin A.: Preliminary results of surgical cement modification with glassy carbon. Physiotherapy 16, 2 (2008) 63-69.
• [17] 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, 2 (1994) 34-39.
• [18] Fitzer E.: From polymers to polymeric carbon – a way to synthesize a large variety of new materials. Pure & Appl. Chem. 52, Pergamon Press Ltd. (1980). Printed in Great Britain,1865-1882.
• [19] Tarvainen T., Pӓtiӓlӓ H., Tunturi T., Paronen I., Lauslahti K., Rokkanen P: Bone growth into glassy carbon implants. A rabbit experiment. Acta Orthop. Scand. 56, 1 (1985) 63-66.
• [20] Tarvainen V.T., Tunturi T.O., Paronen I., Lauslahti K.R., Lehtinen E.T., Rokkanen P.U., Rautavuori J., Tӧrmӓlӓ P., Pӓtiӓlӓ H.V.: Glassy carbon implant as a bone graft substitute: an experimental study on rabbits. Clin. Mater., 17,2 (1994) 93-98.
• [21] Campbell’s Operative Orthopaedics, t. IV. Wyd. The C.V. Mosby Company. St. Louis Washington, D.C. Toronto 1987.
• [22] Balin A., Junak G.: Investigation of cyclic creep of surgical cements. Archives of Materials Science and Engineering 28, 5 (2007) 281-284.
• [23] 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 34 (1997) 221-226.
• [24] Verdonschot N., Huiskes R.: Mechanical Effects of Stem Cement Interface Characteristics in Total Hip Replacement. Clinical Orthopaedics and Related Research, 329 (1996) 326-336.
• [25] Kolczyk E.: Trwałość cementu polimerowego do zastosowania w ortopedii. Praca doktorska (PhD Thesis). Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Katowice 2010.
• [26] Balin A.: Badania nad zwiększeniem trwałości kompozytowych biomateriałów przeznaczonych dla ortopedii. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego (Report on research project) N N518 383837, 2009-2012.
• [27] Balin A., Junak G., Sozańska M., Kolczyk E., Toborek J.: Wpływ domieszek na zachowanie się cementu chirurgicznego w warunkach obciążeń zmiennych. Engineering of Biomaterials 65-66 (2007) 8-10.
• [28] Kolczyk E., Balin A., Sobczyk K.: Wpływ domieszki węgla szklistego na właściwości użytkowe polimerowego cementu. Aktualne Problemy Biomechaniki, Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, z. nr 4, Gliwice (2010) 107-112.
• [29] Kolczyk E., Balin A.: Zastosowanie modelu reologicznego do oceny wpływu domieszki węgla szklistego na cykliczne pełzanie cementu chirurgicznego. Aktualne Problemy Biomechaniki, Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej Zakładu Mechaniki Ogólnej i Biomechaniki, z. nr 3, Gliwice (2009) 99-104.
• [30] Balin A., Junak G.: Low-cycle fatigue of surgical cements, Journal of Achievement in Materials and Manufacturing Engineering, 20, 1-2 (2007) 211-214.
• [31] Śleziona J.: Podstawy technologii kompozytów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.
• [32] Rymuza Z.: Trybologia polimerów ślizgowych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1986.
• [33] Norma ISO 5833: Implants for surgery – Acrylic resin cements 2002 (E).
• [34] Balin A.: Modelowe ujęcie wpływu warunków implantacji na kształtowanie właściwości kompozytów polimerowych stosowanych w ortopedii. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego (Report on research project) Nr 3 T08E 016 29, 2005-2008.
• [35] 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, zeszyt nr 26, Biomechanika’06, Gliwice (2006) 29-34.
• [36] Verdonschot N., Huiskes R.: Subsidence of THA stems due to acrylic cement creep is extremely sensitive to interface friction. J. Biomechanics, vol. 29, 12 (1996) 1569-1575.
• [37] Balin A., Kolczyk E., Junak G.: The method of fatigue live estimation of the surgical cement. Biomechanics 2010, Book of abstracts (2010) 35-36.
• [38] Hyla I.: Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. PWN, Warszawa 1978.
• [39] Pearce El.: Metabolism in T cell activation and differentiation. Curr Opin Immunol. Jun; 22,3 (2010) 314-20. Epub 2010 Mar 29, 2010 Abstract.
• [40] Brånemark R., Brånemark P-I, Rydevik B., Myers R.R.: Osseointegration in skeletal reconstruction and rehabilitation: a review Journal of Rehabilitation Research and Development 38, 2 (2001) 175-181.
• [41] Kathy L. Elias, Rachel L. Price, Thomas J. Webster: Enhanced functions of osteoblasts on nanometerdiameter carbon fibers Biomaterials 23 (2002) 3279-3287.
• [42] Collins M., Bassett J., Hai Bo Wen, Gervais Ch., Lomicka M., Papanicolaou S.: Trabecular Metal™ Dental Implants: Overview of design and developmental research. 2011 Zimmer Dental Inc. 2096, Rev. 8/11 1-8.
• [43] Hobkirk J.A.: Tissue reactions to implanted vitreous carbon and high purity sintered alumina. J Oral Rehabil. 4,4 (1977) 355-68.
• [44] Kokot W., Iwaszkiewicz-Bilikiewicz B., Rozpłoch F., de Laval W.: Histopathological evaluation of orbital tissue encircling intraorbital implant made of glassy carbon and its influence on basic blood parameters in a rabbit. Klin Oczna 103, 2-3 (2001) 85-90.
• [45] Balin A., Myalski J., Junak G., Chrapoński J., Sobczyk K.: The durability and adaptation proces of surgical cement modified with glassy carbon. Biomechanics 2012, Book of abstracts (2012) 29-30.

Uwagi

PL

Badania były wykonane zgodnie z projektem badawczym finansowanym przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Nr N N518 383837.