Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

The effect of glassy carbon and cancellous bone admixture on performance and thermal properties of acrylic bone cements

Choryłek P., Postawa P.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2020

|

Vol. 104, nr 1

30--40

EN

Purpose: of the research is to physically modify the composition of bone cements with glassy carbon and cancellous bone to improve its performance, reduce polymerization temperature and reduce the ability of cements the effect of admixture on the phenomenon of relaxation. Design/methodology/approach: SpinePlex bone cement was modified with glassy carbon powder with 20-50 pm granulation with Maxgraft®. Maxgraft cancellous bone has been ground to 20-50 pm grains. Samples of unmodified cements (reference) and modified with glassy carbon and cancellous bone were prepared for the tests. The glassy carbon powder and ground cancellous bone were premixed with the cement copolymer powder, and then the premix prepared this way was spread in a liquid monomer. To delay the polymerization process, all components were cooled before mixing to 15°C. The addition of glassy carbon was 0.4 g and the addition of cancellous bone was 0.2 g per 20 g of cement powder, i.e. about 1.96% by mass. Polymerization temperature, relaxation and differential scanning calorimetry tests were performed on the samples made. Findings: Additives used allow: to reduce the polymerization temperature, as well as rheological properties. During the studies it was found that the additive which can meet the requirements is glassy carbon in form of powder and cancellous bone. Research limitations/implications: The results presented in the publication require further advanced research, which will be the subject of further modification attempts by the research team. Practical implications: The conducted tests showed a significant effect of glassy carbon as a modifier on the mechanical properties of cement after its solidification, but also on the course of the polymerization process. Temperature registration tests during crosslinking, tests of mechanical properties (behaviour of cement samples under load) and DSC differential scanning calorimetry analysis confirmed that the addition of glassy carbon had an effect on each of these aspects. Originality/value: The original in these studies is the possibility to improve fundamental properties of the selected bone cements by using different than commonly used additives.

2

Comparison of selected properties of cements modified with glassy carbon and cancellous bone

Choryłek P.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2020

|

Vol. 105, nr 1

31--41

EN

Purpose: The aim of this manuscript was to study and analyse the properties of bone cement (VertaPlex) before and after modification with glassy carbon (Alfa Aesar) and human bone (MaxGraft). Design/methodology/approach: To achieve the assumed goal, a series of samples was made - five samples for each mixture, where: 5 bone cement samples, 5 bone cement samples mixed with 20-50 μm glassy carbon in the ratio of 1 g carbon per 40 g of cement, and 5 samples of bone cement mixed with 20-50 μm glassy carbon and human bone in the ratio of 1 g of carbon per 40 g of cement and 0.4 g of bone per 40 g of cement. The produced samples (4 for each mixture, 1 was the reference sample) were subjected to tests - compression test, microscopic observations with a 3D microscope, surface profile tests and hardness tests. Findings: The study has shown that modifications with glassy carbon and bone change the mechanical properties, as well as the strength of the samples. Compression tests have shown that the material without admixtures is characterized by the highest compressive strength and the doping of the glassy carbon itself makes the material more brittle. A significant increase in hardness was also observed for samples with glassy carbon and bones after the pressing process. Practical implications: The study was made synthetically, without taking into account the effect of the environment of body fluids and the human body temperature. This study is an introduction to further considerations where samples for which these conditions will be applied are currently being prepared. Originality/value: For commercial use, in treatment of patients, cements modified with glassy carbon and bone glassy carbon have not been used so far. Due to the prerequisites of a positive effect of glassy carbon addition on osseointegration and biocompatibility, the study in this area has been undertaken.

3

Nieliniowo lepkosprężyste równanie konstytutywne gąbczastej tkanki kostnej i identyfikacja stałych materiałowych

Pawlikowski M., Jankowski K., Kokot G., Skalski K., Makuch A.

Inżynieria Powierzchni

|

2018

|

nr 1

12--17

PL

W pracy sformułowano nowe równanie konstytutywne dla gąbczastej tkanki kostnej człowieka. Zapostulowano funkcję energii odkształcenia, która opisuje sprężystą odpowiedź tkanki na obciążenie. W modelu konstytutywnym uwzględniono także nieliniową lepkosprężystość. Stałe materiałowe w równaniu konstytutywnym zidentyfikowano na podstawie wyników testów relaksacji naprężeń i monotonicznego ściskania metodą dopasowania krzywych. Wykorzystano tutaj algorytm Levenberga-Marquardta metody najmniejszych kwadratów. Na podstawie testów relaksacji zidentyfikowano wartości czasów relaksacji, natomiast na podstawie testów monotonicznego ściskania określono stałe sprężyste i lepkosprężyste. Testy były wykonane w temperaturze pokojowej na prostopadłościennych próbkach kości gąbczastej uzyskanych z główek kości udowej podczas operacji wszczepienia endoprotezy stawu biodrowego.

EN

In the paper a new constitutive equation for human cancellous bone tissue was formulated. A strain energy function was postulate, which describes the elastic response of the tissue to the load. The nonlinear viscoelasticity was also taken into account in the constitutive model. The material constants in the constitutive equation were identified on the basis of the results of stress relaxation tests and monotonic compression tests using the curve fitting method. The Levenberg-Marquardt algorithm of the least square method was used here. On the basis of the relaxation tests, the values of relaxation times were identified, while the elastic and viscoelastic constants were determined on the basis of monotonic compression tests. The tests were performed at room temperature. On the cuboidal samples of cancellous bone obtained from femoral heads during the surgeries of hip joint prosthesis implantation.

4

Human cancellous bone mechanical properties and penetrator geometry in nanoindentation tests

Makuch A. M., Skalski K. R.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2018

|

Vol. 20, no. 3

153--164

EN

The goal of the study was to determine the influence of the penetrator geometry on the human cancellous bone mechanical properties in indentation tests. The aim of this research was also the assessment of the material properties of bone structures, having in mind the energy aspects of the curve obtained in the cycle: inelastic loading and elastic unloading. Methods: The samples were resected from a femoral heads of patients qualified for a hip replacement surgery. During the Depth Sensing Indentation tests, hardness and elastic modulus of the cancellous bone tissue were measured using the spherical and Vickers penetrators. Measurements were made in a node and in a trabecula for each sample. Results: The analysis of the measurement results and the calculations of total energy, i.e., elastic and inelastic, and those of the parameters of hardness and elasticity made it possible to assess the influence of the penetrator geometry on the mechanical properties of bone structures at a microscopic level. Conclusions: It was found, with respect to the methodology of indentation, that without determining the shape of the penetrator and the site of the indentation, an objective assessment of the micro mechanical properties of the tested material is not possible.

5

Zmiany mikrostruktury i charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych kości gąbczastej pozyskiwanej w zabiegach alloplastyki

Jankowski K., Pawlikowski M., Makuch A., Skalski K., Kokot G., Szlązak K.

Inżynieria Powierzchni

|

2017

|

nr 3

38--45

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań zmian zachodzących w porowatej strukturze ludzkiej kości gąbczastej poddanej obciążeniom ściskającym. Do oceny zmian wykorzystano maszynę wytrzymałościową MTS Bionix oraz mikrotomograf SkyScan. Dzięki wykonywaniu projekcji mikrotomograficznych przed próbą ściskania kości i po niej zarejestrowano nie tylko charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowe i zmianę sztywności kości, ale również ewolucję mikrostruktury (zmianę geometrii porów, przesunięcia, rotację, odkształcenia i pękanie beleczek kostnych), co w dalszych badaniach pozwoli dokładniej opisać mechanizmy odkształceń biologicznych materiałów porowatych.

EN

The paper presents the results of studies on the changes of the porous structure of human cancellous bone obtained in the arthroplasty surgery of the pathologically altered hip joints. The MTS Bionix testing machine and SkyScan Micro tomograph were used in the assessment. By performing a microtomographic projection before attempting to compress the bone and afterwards not only were the stress-strain characteristics and change in stiffness of the bone recorded, but also the evolution of the microstructure (change in pore geometry, displacement, rotation, deformation and fracture of bone beams). This in further research will allow to more accurately describe mechanisms of biological deformation of porous materials.

6

Geometrie modelling of bone structures using computed microtomography

Jankowski K., Kokot G., Skalski K., Makuch A., Pawlikowski M.

Inżynieria Powierzchni

|

2016

|

nr 3

17--24

EN

The article presents the algorithm for geometric modelling of bone structures. The images obtained during a microtomography test (fiCT) and the specialist engineering software allow to make 3D models of these structures and their application in further studies using the finite element method. Conducting the appropriate treatment of the derived models it is possible to improve the quality of the finite element mesh and to reduce the number of elements of which it is composed. This simplifies and accelerates the further numerical analysis conducted on bone models.

PL

Artykuł przedstawia algorytm postępowania przy modelowaniu geometrycznym struktur kostnych. Obrazy uzyskane podczas badania mikrotomografem oraz specjalistyczne oprogramowanie inżynierskie umożliwiają wykonywanie modeli 3D tychże struktur oraz wykorzystanie ich w dalszych badaniach z użyciem metody elementów skończonych. Przeprowadzając odpowiednią obróbkę uzyskanych modeli możliwa jest poprawa jakości siatki elementów skończonych oraz zmniejszenie liczby elementów, z których się składa. Ułatwia to i przyśpiesza dalszą analizę numeryczną prowadzoną na modelach kości.

7

Measurement of mechanical properties of a bone tissue at a microstructural level by using DSI (Depth Sensing Indentation) method

Pokorska I., Skalski K., Makuch A., Pawlikowski M.

Inżynieria Powierzchni

|

2015

|

nr 1

68--74

EN

Research of tissue structures at a micro-structural level belongs to the contemporary research in Biomechanics. In the paper a theoretical analysis from Oliver-Pharr’s perspective was presented forming the basis for the measurement methods of bone tissue mechanical properties such as hardness and elasticity modulus. The aim of the study was to emphasize the fundamental assumptions in the analysis which lead to the diversified notions of hardness called technical and normal ones. In the experimental part of the paper, using appropriately prepared trabecular and cortical bone tissues, the measurements of the depth of the indenter penetrating with the applied loadings were made. They enable particularly to determine the elasticity modulus. The aim of this research was the assessment of the material properties of bone structures, having in mind the energetic aspects of the curve (indenter loading-depth) obtained in the cycle: non-elastic (plastic, viscoelastic …) loading and elastic unloading.

PL

Badania struktur tkankowych na poziomie mikrostrukturalnym należą do wspołczesnych w Biomechanice. W pracy przedstawiono analizę teoretyczną w ujęciu Olivera-Pharra leżącą u podstaw metod pomiarów własności mechanicznych tkanek kostnych takich jak twardość oraz moduł sprężystości. Celem opracowania było uwypuklenie podstawowych założeń w analizie, które prowadzą do zróżnicowanych pojęć twardości zwanych techniczną i normalną. W części eksperymentalnej pracy przeprowadzono, na stosownie przygotowanych tkankach kości gąbczastej i zbitej, pomiary głębokości zagłębiania wgłębnika przy zadanych obciążeniach. Umożliwiają one w szczególności określenie modułu sprężystości. Celem tych badań była ocena własności materiałowych struktur kostnych z uwagi na energetyczne aspekty krzywej (obciążenie-głębokość wgłębnika) otrzymanej w cyklu: obciążenie niesprężyste (plastyczne, lepko-sprężyste…) i odciążenie sprężyste.

8

Żywienie a osteoporoza. Część IV. Zmiany struktury kości chorych na osteoporozę

Mazurkiewicz A., Topoliński T.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2009

|

Nr 2

98-99

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań próbek kostnych mających na celu określenie wskaźników opisujących ich strukturę. Badania przeprowadzono na mikrotomografie komputerowym. Na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, że różnice pomiędzy strukturą kości: osteoporotycznej i koksartrycznej najlepiej opisują dwa wskaźniki: średnia odległość pomiędzy beleczkami w kości Tb.Sp i gęstość prześwietleniowa BMD.

EN

Results of microtomographic investigation of human trabecular bonę samples arę presented in the paper. The aim of investigation was to describe bonę structure factors. On basis of statistical analysis it was found that such factors as trabecular separation Tb.Sp and X-ray den-sity BMD aro better for description of diffurences between the structure of osteoporotic and coxarthrotic bonę.

9

Symulacja przebudowy kości gąbczastej

Heljak M., John A.

Aktualne Problemy Biomechaniki

|

2007

|

z. 1

59--64

PL

W pracy opisano wybrany model przebudowy (adaptacji) tkanki gąbczastej pod wpływem obciążenia zewnętrznego. Czynnikiem regulującym proces remodelingu w opisywanym modelu jest gęstość energii odkształcenia. Rezultatem przeprowadzonej symulacji numerycznej jest zmiana rozkładu gęstości tkanki kostnej w rozpatrywanym obszarze. W warunkach rzeczywistych zmiana gęstości tkanki kostnej pod wpływem działającego obciążenia dąży do wartości optymalnej, co oznacza, że organizm dąży do zmniejszenia masy kośćca, przy zachowaniu odpowiednich parametrów wytrzymałościowych.

EN

In the present paper one remodeling model of trabecular bone is considered. The model is based on the strain energy density criterion. The strain energy density is taken as the mechanical stimulus of bone remodeling. The results of the simulation demonstrate change of material density distribution. The change of bone tissue density caused by mechanical load is optimal, what means that tissue tends to minimal mass needed to bear load.

10

Wykorzystanie fal ultradźwiękowych do oceny zmian struktury kości gąbczastej

Litniewski J.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

|

2006

|

nr 2

3-186

PL

Celem badań ultradźwiękowych kości jest chęć lepszego poznania ich budowy oraz poszukiwanie bardziej doskonałych sposobów oceny stanu ich struktury. W szczególności dotyczy to struktury kości gąbczastej, od której w głównej mierze zależy wytrzymałość całego układu szkieletowego. W przedstawianej pracy, kość gąbczasta badana była zarówno metodami mikroskopowymi, opartymi na technikach mikroskopii akustycznej jak i za pomocą niskoczęstotliwościowych metod makroskopowych, bazujących głównie na wstecznie rozproszonych impulsach fal ultradźwiękowych. Założono, że stosując metodę makroskopową, jaką jest sondowanie kości beleczkowej za pomocą ultradźwięków niskiej częstotliwości, do zbierania informacji mikroskopowej, to znaczy informacji o strukturze wewnętrznej kości, trzeba posłużyć się metodami analizy statystyki rozproszenia. Za cel postawiono sobie poznanie i oszacowanie wpływu parametrów struktury kości gąbczastej, takich jak gęstość przestrzenna beleczek, grubość beleczek czy też własności mechaniczne tkanki kostnej, z której zbudowane są beleczki a także wpływu rozrzutu wartości tych parametrów na własności statystyczne rozproszonego sygnału ultradźwiękowego. Założono również, że znajomość zakresu zmian własności statystycznych sygnału rozproszonego w zależności od wielkości zmian struktury, pozwoli na wybór optymalnych parametrów wiązki akustycznej i częstotliwości fali ze względu na detekcję takich zmian. Umożliwi również poznanie parametrów struktury kości, które wpływają w istotny sposób na charakter sygnału rozproszonego a co za tym idzie mogą być użyte do interpretacji wyników pomiarów doświadczalnych. W oparciu o model struktury kości gąbczastej przeprowadzono symulację sygnału rozproszonego. Model struktury kości beleczkowej odzwierciedla fizyczny układ tkanki kostnej w tkance szpiku i krwi, składający się na obraz kości gąbczastej. Wymiary beleczek, ich rozkład i własności mechaniczne zostały tak dobrane, aby w sposób optymalny opisywały rzeczywistą strukturę kości beleczkowej. Dane wejściowe modelu uzyskano za pomocą pomiarów własności pojedynczych beleczek kości gąbczastej, stosując techniki mikroskopii akustycznej. W pracy przedstawiono metodę transformacji obrazu mikroskopowego w obraz parametryczny, opisujący rozkład impedancji w badanej próbce. Metodę tą zastosowano do wyznaczania impedancji beleczek kostnych. Pomiar prędkości fali podłużnej dla próbek tak małych jak beleczki kości gąbczastej i tak silnie tłumiących fale jak tkanka kostna wymagał opracowania nowej metody pomiaru prędkości, metody wykorzystującej podłużną falę boczną. Metoda ta, zastosowana do pomiaru prędkości fali w beleczkach kostnych, korzysta ze związku pomiędzy prędkością podłużnej fali bocznej i odległością pomiędzy ogniskiem a położeniem pierwszego minimum czy też maksimum krzywej pomiarowej V(z). Zastosowanie obu technik pomiarowych, techniki obrazowania parametrycznego impedancji i techniki pomiaru prędkości podłużnej fali bocznej, pozwoliło na niezależny pomiar impedancji i prędkości fali podłużnej propagującej się w tkance kostnej pojedynczych beleczek kości gąbczastej. Pomiary wykonano za pomocą zbudowanego przez autora, skanującego mikroskopu akustycznego. Wyniki pomiarów pozwoliły na oszacowanie wartości średnich i zakresów zmienności parametrów, opisujących tkankę kostną beleczek. Było to podstawowym celem badań mikroskopowych. Znalezione wartości prędkości fali i obliczone wartości gęstości tkanki oraz zakresy rozrzutu tych parametrów, zostały następnie użyte przy symulacji sygnału rozproszonego. Wiarygodność symulacji przebiegów rozproszonych potwierdzono przez porównanie ich z wynikami pomiarów przeprowadzanych in vitro i in vivo. W tym celu użyty został, zbudowany przez autora, układ pomiarowy, umożliwiający rejestrację fal rozproszonych i fal przechodzących przez kość piętową. W efekcie stwierdzono, że symulowane i uzyskiwane doświadczalnie sygnały rozproszone w kości gąbczastej pięty, w podobny sposób reagują na zmiany objętości pomiarowej, na zmiany porowatości kości, zmiany średniej grubości beleczek i na rozrzut wartości tej grubości. Stosując symulację sygnału rozproszonego rozważany był wpływ porowatości kości, wpływ zmiany parametrów opisujących pojedynczą be-leczkę oraz wpływ rozrzutu tych parametrów na odstępstwa rozkładu amplitudy sygnału rozproszonego od rozkładu Rayleigh'a. Stwierdzono, że interpretacja zmian w rozkładzie amplitudy sygnału rozproszonego w kości gąbczastej jako związanych ze stopniem zróżnicowania grubości beleczek wydaje się być w pełni uzasadniona. Takie podejście prowadzi do nowego spojrzenia na możliwości detekcji własności struktury kości beleczkowej za pomocą metod ultradźwiękowych. Nowa, prezentowana w pracy metoda badania ultradźwiękowego kości gąbczastej jest obecnie jedyną metodą w pełni wykorzystującą informację o własnościach strukturalnych kości.

11

Techniki ultradźwiękowe w badaniach in vitro materiałów kostnych. Przegląd zastosowań

Kubik J., Pakuła M.

Zeszyty Naukowe. Mechanika / Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy

|

2004

|

Z. 54(243)

7-21

PL

W pracy zaprezentowano główne metody ultradźwiękowe stosowane w laboratoryjnych badaniach materiałów kostnych: metodę fali ciągłej i impulsowej, metody mikroskopii ultradźwiękowej i rozpraszania wstecznego. Zdefiniowano ilościowe miary wykorzystywane do charakteryzowania materiałów kostnych w oparciu o pomiary ultradźwiękowe oraz przedyskutowano ważniejsze problemy metodologiczne wynikające ze specyfiki badanych materiałów. Zwrócono uwagę na takie elementy jak niewielkie wymiary dostępnych próbek, niejednorodność i anizotropia materiałów oraz wielofazowy charakter ośrodka. W pracy zebrano reprezentatywne dane liczbowe dla wybranych rodzajów materiałów pochodzenia ludzkiego i zwierzęcego, wyznaczone z pomocą omawianych metod.

12

Symulacja numeryczna procesu tworzenia się struktury beleczkowej kości gąbczastej

Ścigała K., Kiełbowicz A., Słowiński J.

Systems : journal of transdisciplinary systems science

|

2004

|

Vol. 9, No. sp. II

827-832

PL

Przedstawiono wyniki analizy procesu tworzenia się struktur beleczek kości gąbczastej pod wpływem obciążenia na drodze adaptacji funkcjonalnej. W pracy analizowano nie ty!ko zgodność uzyskanych struktur pod względem ich kształtu, roziożenia i wymiarów lecz również charakterystyk mechanicznych. Uzyskane wyniki wskazują iż zastosowana procedura umożliwiają uzyskanie struktur zbliżonych do rzeczywistej kości również pod względem ich właściwości mechanicznych.

EN

Presented paper is focused on the simulation of modelling process of trabcculae structure of canceilous bone. Existing algorithm of process was adapted to create structures of overloded, normal an unloaded structure. Analysis was focused on the verification of similarity of mechanical properties of created structure and real bone tissue.

13

Badania własności struktury kości gąbczastej z zastosowaniem metod spektroskopii elektrycznej i metody ultradźwiękowej

Łukowski J., Pakuła M., Kaczmarek M.

Zeszyty Naukowe. Mechanika / Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy

|

2000

|

Z. 47 (228)

165-173

PL

Kości są materiałami o anizotropowych własnościach mechanicznych i strukturalnych. Główne kierunki anizotropii tych materiałów związane są z obciążeniami, jakimi są poddawane w warunkach fizjologicznych. Badania własności mechanicznych pokazują, że najczęściej materiały kostne charakteryzują się transwersalną izotropią lub ortotropią. Celem niniejszej pracy było wyznaczenie i analiza parametrów anizotropowej struktury kości gąbczastej. tj. współczynnika uformowania oraz krętości w oparciu o pomiary przewodności elektrycznej i porównanie relacji pomiędzy zmierzonymi parametrami struktury a prędkością propagacji podłużnej fali ultradźwiękowej. Do wyznaczenia parametrów struktury wykorzystano metodę dwuelektrodową z zastosowaniem mostka RLC oraz układu umożliwiającego pomiar przewodności metodą techniczną w zakresie częstotliwości od 100 HZ do 100 kHz. Materia� badany stanowiły sześcienne próbki gąbczastej kości wołowej o wymiarze boku ok. 10 mm uzyskane z głowy kości udowej i kręgów kręgosłupa. Pomiary przewodności przeprowadzono dla materiału zawierającego szpik kostny - nasyconego płynem fizjologicznym, w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.

EN

Bones are materials with anisotropic mechanical and structural properties. The paper investigates parameters of anisotropic structure of trabecular bone: formation factor and tortuosity using measurements of electric impedance and a comparison between the structure parameters measured and velocity of ultrasonic wave propagation. To determine the material impedance, the two-electrode method with RLC bridge and direct technique are applied. The cubic specimens (1 cm x l cm x l cm) of trabecular bovine bone are cut from the distal epiphysis of fresh bovine femora and vertebra. The results show a good correlation between tortuosity measured by electric spectroscopy and velocity of longitudinal waves.