Composites PMMA - carbon fibre as an alternative to connection of endoprosthesis with bone

• Autorzy: Szarek, A. , Postawa, P.

Warianty tytułu

PL

Kompozyt PMMA - włókno węglowe jako alternatywa połączenia endoprotezy z kością

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Surgical cements, being polymer composites, constitute the substances which fix prostheses to bones. Due to the load which they are expected to bear and responsibility for maintenance of a stable connection of the bone and prosthesis, cements should be characterized by enhanced mechanical strength and biocompatibility. Basic mechanical parameters indicated by PMMA under variable load might affect durability of biomechanical systems, such as artificial femoral joint. For these reasons, analysis of functional properties of bone cements under empirical conditions is of essential importance since it allows for determination of cement's behaviour in human body. Analysis of clinical results demonstrated that bone cements used for hip joint replacement, despite a number of modifications, still do not meet sufficient requirements of biofunctionality, mainly due to high toxicity of liquid monomer. Bone cements are still characterized by insufficient biocompatibility and poor mechanical properties. Furthermore, they show tendency to cracking, chipping and, in consequence, to loosening of prosthesis in bone. This paper aims at determination of the factors which cause destruction of cement layer in human body. Examination of the parts of artificial joint removed from human body because of the destruction of PMMA revealed that cement mass does not adhere to the prosthesis on the whole contact surface but only in some random areas. It was also observed that connection of the cement with bone occurs based on sticking whereas dendrite surfaces of cement show tendency to generate microcracks, which, in the course of time, are progressing and cause destruction of PMMA. The attempts were also made to develop, on the basis of commercial cements, a new composite reinforced with carbon fibre. The investigations aimed at obtaining a cement with limited percentage of toxic monomer, enhanced mechanical strength and porous surface which will allow for osseointegration of composite mass with the bone. It was determined on the basis of the investigations that optimal fraction of carbon fibre fillers in commercial bone cements accounts for 30%. This modification allows for obtaining a composite characterized by higher compressive strength [MPa] as compared to pure cements, from 20 to 26%. The developed PMMA composite with carbon fibre also showed higher impact strength (by approx. 20-26%), which, in the case of the nature of load it is expected to bear, can considerably extend the time of use inside human body. Another essential advantage of the developed composite is that a porous surface was obtained, which will allow for osseointegration of the modified PMMA with bone and will increase mechanical strength in bone-cement arrangement. It is also remarkable that implementation of the filler limits the percentage of monomer in cement mass, which results in a higher biocompatibility in the obtained composite as compared to pure cement.

PL

Cement chirurgiczny, będący kompozytem polimerowym, po związaniu stanowi element spajający protezę z kością. Ze względu na obciążenia, jakie przenosi, oraz na dużą odpowiedzialność w utrzymaniu stabilnego połączenia protezy z kością powinien charakteryzować się wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz biozgodnością. Podstawowe parametry wytrzymałościowe PMMA, jakie wykazuje w warunkach oddziaływania zmiennych obciążeń, mogą mieć wpływ na trwałość układu biomechanicznego, jakim jest sztuczny staw biodrowy. Z tych powodów istotne znaczenie mają badania właściwości użytkowych cementów kostnych w warunkach doświadczalnych, albowiem pozwalają na określenie jego zachowania się w organizmie człowieka. Analiza wyników klinicznych wskazuje, że stosowane w endoprotezoplastyce cementy kostne, pomimo wielu modyfikacji, nadal jeszcze niedostatecznie spełniają stawiane im wymagania oczekiwanej biofunkcjonalności, głównie z powodu dużej toksyczności płynnego monomeru. Cementy kostne wciąż jeszcze charakteryzują się niewystarczającą zgodnością biologiczną, niekorzystnymi właściwościami wytrzymałościowymi. Ponadto posiadają dużą skłonność do pękania, wykruszania, a w konsekwencji do obluzowania protezy w kości. W artykule podjęto próbę określenia czynników powodujących niszczenie płaszcza cementowego w organizmie ludzkim. Na podstawie elementów sztucznego stawu usuniętego z organizmu ludzkiego z powodu zniszczenia PMMA określono, iż przyleganie masy cementowej do protezy nie następuje na całej powierzchni kontaktowej, a jedynie w pewnych przypadkowych obszarach. Dodatkowo zaobserwowano, że połączenie cement z kością odbywa się na zasadzie przyklejenia, a dendrytyczne powierzchnie cementu mają skłonności do powstawania mikropęknięć, które wraz z czasem postępują, powodując niszczenie PMMA. W badaniach podjęto próbę opracowania na bazie cementów komercyjnych nowego kompozytu wzbogaconego w włókno węglowe. Celem prowadzonych badań jest uzyskanie spoiwa, w którym ograniczony zostanie udział toksycznego monomeru, zwiększy się wytrzymałość mechaniczna oraz uzyska się porowatą powierzchnię, która umożliwi przerost masy kompozytowej kością. Na podstawie przeprowadzonych badań określono, że przy zastosowanych komercyjnych cementach kostnych optymalny udział wypełniaczy z włókna węglowego stanowi około 30%. Modyfikacja taka pozwala na uzyskanie kompozytu charakteryzującego się wyższą wytrzymałością na ściskanie Rc od czystych cementów od 20 do 24%. Opracowany kompozyt PMMA z włóknem węglowym zwiększył również swą udarność o około 20-26%, co w przypadku charakteru jego pracy może znacznie wydłużyć czas użytkowania w organizmie ludzkim. Kolejną bardzo istotną zaletą opracowanego kompozytu jest uzyskanie porowatej powierzchni, co umożliwi przerośnięcie modyfikowanego PMMA kością i znacznie zwiększy wytrzymałość połączenia kość-cement. Nie bez znaczenie jest również fakt, że wprowadzenie wypełniacza ogranicza procentowy udział monomeru w masie cementowej, przez co uzyskany kompozyt ma wyższą biozgodność od czystego cementu.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; włókno węglowe; modyfikacja PMMA; wytrzymałość mechaniczna

EN

composite; carbon filament; modified PMMA; mechanical properties

• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 1
• Strony: 46-51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Szarek, A.

autor

Postawa, P.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science, Institute of Metal Working and Forming, Quality Engineering and Bioengineering, 21 Armii Krajowej, 42-200 Częstochowa, Poland,

Bibliografia

• [1] Szarek A., Analiza procesu polimeryzacji kompozytowego cementu akrylowego przy różnym udziale polimeru i monomeru, Kompozyty (Composites) 2008, 8, 2, 206-209.
• [2] Bernakiewicz M., Będziński R., Ocena relacji charakterystyk sztywności trzpieni endoprotez stawu biodrowego i kości udowej, Mat. Konf. Mechanika w Medycynie IV, Rzeszów 1996.
• [3] Huiskes R. et al., Effects of material properties of femoral hip components on bone remodelling, Orthop. Res. 1992, 10(6), Nov., 845-853.
• [4] Włodarski J., Szyprowski J., Szarek A., Analiza odkształceń kości udowej z zainplanowaną endoprotezą bezcementową typu BiContact, Acta of Bioengineering and Biomechanice 2004, 575-562.
• [5] Syfried A., Rąpała K., Wit A., Patobiomechanika chodu w uszkodzeniu stawu kolanowego, Biology of Sport 1998, 15, 8.
• [6] Lennon A.B., Prendergast P.J., Residual stress due to curing can initiate damage in porous bone cement: experimental and theoretical evidence, Journal of Biomechanics 2002, 35, 311-321.
• [7] Mann K.K.A, Bartel D.L., Wright T.M., Burstein A.H., Coulomb frictional interfaces in modeling cemented total hip replacements: a more realistic model, Journal of Biomechanics 1995, 28(9), 1067-1078.
• [8] Hultąuist P.F., Numerical methods for engineers and computer scientists, Benjamin/Cummings Publ. Co., 1988.
• [9] Maquet P.G.J., Biomechanics of the hip, Springer, Berlin 1985.