Analiza procesu polimeryzacji kompozytowego cementu akrylowego z różnym udziałem polimeru i monomeru

• Autorzy: Szarek, A.

Warianty tytułu

EN

Analysis of acrylic cements polymerization process with different concentration of polymers and monomers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z przykładów kompozytowego materiału znajdującego szerokie zastosowanie w medycynie, głównie w ortopedii, jest modyfikowany polimetakrylan metylu (PMMA). Cement chirurgiczny składa się z polimeru estru metylowego i kwasu akrylowego, a po zmieszaniu z ciekłym monomerem ulega dalszej polimeryzacji, tworząc twardą masę. Makroskopowo spolimeryzowana masa złożona jest z agregatów polimeru o wymiarach 10+18 mikrometrów łączonych mostkami spolimeryzowanego monomeru. Podczas polimeryzacji materiał taki jest plastyczny, daje się dowolnie kształtować i penetruje nawet w głąb drobnej struktury beleczkowej kości. Polimer zestala się w czasie poniżej 10 minut od początku mieszania (proszek + płyn), odpowiednim do zamocowania endoprotezy. Jego wytrzymałość na ściskanie wynosi 60+100 MPa i jest wystarczająca przy obciążaniu kończyny po wszczepieniu endoprotezy. Jest jednak bardzo kruchy. Jego odporność na pękanie wyrażona jako współczynnik KIc wynosi 1,2 +/- 0,1 MPa * m1/2. Przy polimeryzacji w 4-6 minucie od momentu jej rozpoczęcia następuje znaczny wzrost temperatury od 55+80° C, a nawet 125° C w zależności od temperatury otoczenia i rodzaju cementu. Aby ją obniżyć, stosuje się niekiedy regulację uziarnienia i dodatki (krystaliczny polietylen, TiO2, Al2O3). W pracy podjęto próbę określenia różnic w przebiegu procesu polimeryzacji modyfikowanego PMMA przy różnym udziale procentowym polimeru i monomeru. Materiał badawczy stanowiły komercyjne cementy kostne (PMMA: CEMEX RX - produkcja TECRES SPA oraz SIMPLEX P - produkcja HOWMEDICA LIMERICK), modyfikowane Al2O3. Jako wzorcowy przebieg polimeryzacji przyjęto proces, w którym procentowy udział polimeru i monomeru został zachowany zgodnie z wytycznymi producenta (dla cementu CEMEX RX 40 gram polimeru oraz 13,3 gram monomeru; dla cementu SIMPLEX P 40 gram polimeru i 20 ml monomeru). Do analizy zmiany procesu zmniejszano udział poszczególnych składników co 5% i określano czas oraz temperaturę polimeryzacji. Dodatkowej analizie poddano spolimeryzowaną masę cementową, na podstawie której określono jednorodność badanej struktury.

EN

One of the examples of the composite material which is widely used in medicine, mainly in orthopaedics, is modified polymethyl methacrylate (PMMA). Surgical cement is composed of methyl ester polymer and acrylic acid and, after mixing with liquid monomer undergoes further polymerization, resulting in a hardened mass. In a macroscopic scale such a solid is composed of aggregates in the form of polymer spheres of 10+18 micrometers connected with the polymerized monomer bridges. During polymerization this material is so plastic that it can be freely formed and penetrates inside a tiny trabecular structure of bone. Technological aspect of application of PMMA seems to be favourable. Polymer is solidified within less than 10 minutes from the initiation of mixing (powder + liquid), which is sufficient to fix the prosthesis. Its compressive strength amounts to 60+100 MPa and it is sufficient for limb load after implanting prosthesis. It is very brittle, however. Its crack resistance is expressed as a KIc coefficient and it amounts to 1.2 +/- 0.1 MPa * m1/2. After polymerization, 4-6 minutes from the moment of its initiation, a considerable rise in temperature from 55+80° C, and even 125° C, depending on the environment temperature and a type of cement. In order to reduce it a 'freezing of polymerization' is sometimes applied, regulation of grain and additions (crystalline polyethylene, TiO2, Al2O3). Many authors deal with PMMA, describing in their works a process of polymerization, however, it is difficult to find complex information concerning phenomena which occur during polymerization of modified PMMA with different concentration of polymers and monomers. This issue is very important both due to the course of polymerization and quality, strength and homogeneity of the structure of the obtained material. During the work an attempt was made to determine differences in the course of polymerization of PMMA with various percentage concentration of polymers and monomers. As an investigation material a commercial bone cements (PMMA) CEMEX RX - by TECRES SPA and SIMPLEX P - by HOWMEDICA LIMERICK was used modified Al2O3. As a pattern of polymerization a process was assumed where percentage concentration of both polymers and monomers was kept following the manufacturers recommendations (TECRES SPA; 40 g powder and 13.3 g liquid, Howmedica Limerick; 40 g powder and 20 ml liquid). In order to analyse changes in the process, a concentration of each component was decreased by 5% while the time and temperature of polymerization was determined. Final product was additionally analysed; this means polymerized cement mass on the basis of which homogeneity of the investigated structure was determined.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; modyfikowany PMMA; polimeryzacja

EN

composite; modified PMMA; polymerization

• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 2
• Strony: 206-209
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz.

Twórcy

autor

Szarek, A.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii al. Armii Krajowej 21, 42-200 Częstochowa,

Bibliografia

• [1] Będziński R., Biomechanika inżynierska, Zagadnienia wybrane, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997.
• [2] Burke D., Centrifugation as method of improving tensile and fatigue properties of acrylic bone cement, IBBIS 1984, 55A, 49.
• [3] Heikkila J.T., Aho A.J., Kangasniemi I., Yli-Urpo A., Polymethylmethacrylate composites: disturbed bone formation at the surface of bioactive glass and hydroxyapatite, Biomaterials 1996, 17, 1755-60.
• [4] Lee H.B., Tumer D.T., Temperature control of bone cement addition of crystalline monomer, J. Biomed. Mat. Res., 11, 1977, 671-676.
• [5] Lubimow W., Cwanek J., Korzyński M., Badanie gładzi cementu oraz powierzchni głów sztucznych stawów biodrowych usuniętych z powodu aseptycznego obluzowania panewki, Mechanika w Medycynie 2000, 151-156.
• [6] Weam F.M., Masahiko K., Shuichi S., Masaki K., Masashi N., Satoru Y., Takashi N., Biological and mechanical properties of PMMA-based bioactive bone cements, Biomaterials 2000, 21, 2137-2146.
• [7] Dupraz A.M.P., Wijn J.R., Meer Satvd de Groot K., Characterization of silane-treated hydroxyapatite powders for use as filer in biodegradable composites, J. Biomed. Mater. Res. 1996, 30, 231-8.
• [8] Khorasani S.N., Deb S., Behiri J.C., Braden M., Boneld W., Modified hydroxyapatite reinforced PEMA bone cement, (w:) T. Yamamuro, T. Kokubo, T. Nakamura, ed. Bioceramics 1992, 5, Japan, Kobunshi Kankokai 225-32.
• [9] Mousa W.F., Kobayashi M., Kitamura Y., Zeineldin E.A., Nakamura T., Effect of silane treatment and different resin composition on the biological properties of bioactive bone cement containing A W glass ceramic powder, J. Biomed. Mater. Res. 1999, 47, 336-44.
• [10] Kokubo T., Ito S., Shigematsu M., Sakka S., Yamamuro T, Mechanical properties of a new type of apatite-containing glass-ceramic for prosthetic application, J. Mater. Sci. 1985, 20, 2001-4.
• [11] Daniels A.U. et al., Freeze - arrested polymerization of PMMA bone cement, Biomed. Mat. Res. Symp. Trans., 2, 178, 120-121.
• [12] Lee H.B., Tumer D.T., Temperature control of bone cement addition of crystalline monomer, J. Biomed. Mat. Res. 1977, 11, 671-676.