Wpływ wypełniaczy na własności wytrzymałościowe kompozytowych cementów kostnych

Zastosowanie PMMA (polimetakrylanu metylu) w alloplastyce stawu biodrowego datuje się aa początek lat 60., kiedy to Charnley zakotwiczył w kości udowej endoprotezę stawu biodrowego. Cement chirurgiczny, będący kompozytem polimerowym, po związaniu stanowi element spajający protezę z kością, dlatego wymaga się od niego dużej biozgodności i biotolerancji. Badania kliniczne wykazują wiele zastrzeżeń dotyczących cementów kostnych, począwszy od dużej temperatury wydzielanej podczas polimeryzacji (w 4:6 minucie od momentu jej rozpoczęcia następuje znaczny wzrost temperatury od 55:80°C, a nawet do 125°C), przez własności wytrzymałościowe i zmęczeniowe, kończąc na dużej degradacji cementu i emisji cząstek do organizmu. Badania prowadzone na całym świecie mają na celu polepszenie własności cementów kostnych. Obecnie wykorzystuje się wiele rodzajów cementów, stosowanych jako kompozyty czyste (bez domieszek) lub z domieszkami innych substancji. Stosowanie wypełniaczy ma istotne znaczenie na własności wytrzymałościowe PMMA. Specyfika środowiska pracy wymusza na polimetakrylanie metylu konieczność przenoszenia bardzo złożonych obciążeń wynikających z motoryki człowieka. Środowisko pracy cementu jest bardzo agresywne, co znacznie zwiększa szybkość starzenia i powoduje większe wyniszczanie się cementu, przez co osłabia się układ kość-cement-implant. Zjawisko takie może doprowadzić do obluzowania się endoprotczy i do konieczności wykonania zabiegu reimplantacji. Kolejnym negatywnym skutkiem starzenia i wykruszania się cementu jest zjawisko emisji cząsteczek cementu do organizmu. Cząsteczki te, przemieszczając się wewnątrz organizmu, osadzają się w różnych organach, np. wątrobie, nerkach itp., powodując powstanie patologii. Badania prowadzone w Instytucie Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii pozwalają na określenie wpływu wypełniaczy na własności wytrzymałościowe cementów kostnych, zmniejszenia temp. polimeryzacji i zmniejszenia szybkości procesów starzenia cementów akrylowych. Do badań przyjęty został cement SIMPLEX irlandzkiej firmy HOWMEDICA LIMERICK, w skład opakowania wchodzi proszek polimerowy oraz płyn monomerowy. Cały zestaw opakowany jest sterylnie. Zastosowano trzy rodzaje wypełniaczy (materiały kościozastepcze o nazwie BIO-OSS, miazgę kostną bydlęcą oraz Al2O3). Różnice w wytrzymałości mechanicznej oraz w strukturze cementu kostnego mają znaczący wpływ na żywotność i własności wytrzymałościowe wybranego cementu kostnego.

---

The first use of PMMA (methyl polymethacrylate) in a hip joint alloplasty was at the early 60's when Charnley anchored the hip joint endoprosthesis inside the femur. Surgical cement, being the polymer composite, sets creating the element bonding prosthesis with a bone, and thus, it is required to be highly biocompatible and biotolerant. Clinical research indicates many reservations regarding bone cements, starting from the relatively high temperature during polymerization (after 4:6 minutes of polymerization the temperature grows up to 55:80°C or even up to 125) through mechanical and fatigue properties and ending with high degradation and particle emission to the organism. The tests carried out all over the world are aimed towards the improvement of the bone cements properties. Nowadays many kinds of cements are used either as pure polymer or with admixtures of different substances. Application of fillers is of a great significance to the mechanical properties of the PMMA. Specificity of the working conditions forces the necessity of transition of extremely complex loading resulting from human motor activity. Working environment of the cement is highly aggressive dramatically increasing the ageing rate and causes higher enucleating of the cement, weakening the bone-cement-implant system. This phenomenon can lead to endoprosthesis loosening and to the necessity of re-implantation procedure. Another negative effect of the cement ageing and spalling is the phenomenon of cement particles emission into the organism. These particles, moving inside the organism, settle inside different organs i.e. liver, kidneys etc. causing pathologies. Microstructure of the SIMPLEX P cement is shown in Figure 1, structure changes influenced by different additives can be observed in Figures 2 and 3. The research performed at the Institute of Metal Working, Quality Engineering and Bioengineering permits to determine the influence of the fillers on mechanical properties of bone cements, decrease in polymerization temperature and decrease the ageing process rate of the acryl cements. The results of compression test of SIMPLEX P with 5% of different fillers is presented in Figure 4. The sample chart of the compression test of SIMPLEX P with 5% of BIO-OSS additive is given in Figure 5. Irish HOWMEDICA LIMERICK SIMPLEX P cement was taken to the tests. The package includes polymer powder and monomer liquid is sterile. Three kinds of fillers were taken into tests: bone-substitutive material BIO-OSS, bovine bone pulp and Al2O3. Differences in mechanical properties and in structure of bone cement are of significant influence on life and mechanical properties of the bone cement.