Ćwiczenie 1
Płytki przeznaczone do zespalania odłamów kostnych – analiza materiałowa

Cel ćwiczenia: dobór materiału na płytki stosowane do zespalania odłamów kostnych na
podstawie właściwości fizycznych i mechanicznych beleczek wykonanych z różnych
materiałów.

W okresie kilkudziesięciu ostatnich lat obserwuje się dynamiczny rozwój metod łączenia

odłamów kostnych (osteosyntezy). W latach 70-tych znaczną popularność zdobyła
osteosynteza metalowa płytkowa (wg AC). Od początku propagowania tej metody
obserwowano niekorzystne zjawiska. Były to: osteoliza w miejscach kontaktu metalu z
kością, co zagrażało stabilności zespolenia oraz atrofia kości w okolicy zespolenia. W ich
wyniku dochodziło niekiedy do tak znacznego obniżenia wytrzymałości kości, że powstawały
powtórne złamania, zwłaszcza po usunięciu płytki zespalającej W polskim piśmiennictwie
podaje się od 7-25% różnorodnych powikłań po osteosyntezie. Za główną przyczynę tych
powikłań uznano sztywny, niefizjologiczny sposób połączenia odłamów kostnych.

W ostatnich latach coraz więcej autorów jest zdania, że zespolenie odłamów kostnych

powinno umożliwiać im pewien stopień ruchomości, a więc powinno umożliwiać
przenoszenie obciążeń - być elastyczne. Dla osiągnięcia takiego typu zespolenia zaczęto coraz
powszechniej stosować stabilizatory zewnętrzne kości. Rozpoczęto szeroko zakrojone prace
doświadczalne nad doborem optymalnych parametrów zespolenia.

W latach 70-tych zaczęły pojawiać się próby różnych modyfikacji płytek, mające na celu

zwiększenie elastyczności zespolenia. Stosowano, więc płytki metalowe o różnych kształtach,
różnorodne podkładki „amortyzujące" oraz poszukiwano nowych rozwiązań materiałowych

Ciekawym rozwiązaniem mogą być stopy z pamięcią kształtu (np. Nitinol) oraz polimery

(w tym polimery degradowalne) i ich kompozyty. Najefektywniejszym wzmocnieniem w
kompozytach są włókna długie o wysokich właściwościach mechanicznych np. włókna
węglowe. Ze względu na swoje uniwersalne właściwości mechaniczne mogą być
wykorzystane w konstrukcji stabilizatorów zewnętrznych i sprzętu rehabilitacyjnego
(kompozyty polimerowe - CFRP) oraz uwzględniając korzystne właściwości biologiczne
(kompozyt węgiel-węgiel, kompozyty polimerowe) jako implanty w różnych dziedzinach
medycyny. W porównaniu do materiałów konwencjonalnych charakteryzują się one korzystną
relacją wytrzymałości i sprężystości właściwej, odporności na pękanie i wytrzymałości
zmęczeniowej, co nie jest spełnione przez materiały ceramiczne i metaliczne.

Jednym z głównych nierozwiązanych problemów ortopedii jest istniejąca różnica między

sztywnością kości a sztywnością implantów. Materiały ceramiczne i metaliczne są
przynajmniej 10-20 razy bardziej sztywne niż warstwa korowa ludzkiej kości
Wielkość obciążenia przenoszonego przez kość i przez implant jest bezpośrednio związana z
ich sztywnością Tak więc kość, na skutek znacznie mniejszej sztywności staje się
niewystarczająco obciążona, a jej przebudowa adaptacyjna powoduje, że warstwa korowa jest
cienka a porowatość wzrasta. Dopasowanie sztywności implantu do sztywności kości
powinno ograniczyć tzw. zjawisko przesztywnienia kości. Z tego punktu widzenia celowym
wydaje się zastosowanie materiału o dobrej wytrzymałości i niskiej sztywności.

Analiza modeli opisujących zachowanie się sprężyste kompozytów wzmacnianych

włóknami wskazuje, że do najważniejszych czynników decydujących o sprężystości należą:
moduł sprężystości włókien i matrycy, siła ich więzi na granicy faz włókno-matryca, udział
objętościowy włókien i ich orientacja przestrzenna. Stosowane do wzmacniania włókna

węglowe charakteryzują się modułem sprężystości zawartym w granicach 200-800 GPa, a
więc jedną z najwyższych wartości w przyrodzie. Proste rozważania oparte na modelu
równoległym wskazują że jednokierunkowe kompozyty mogą osiągać przy 50% udziale
włókien wartości modułu sprężystości od 100 do 400 GPa.

Zasadniczym więc problemem w spełnieniu głównego kryterium realizacji zespolenia

półsztywnego jest obniżenie sprężystości materiału łącznika do wartości sprężystości kości
przy zachowaniu wytrzymałości kilkakrotnie wyższej od wytrzymałości kości. Takie
możliwości stwarzają kompozyty o innym ułożeniu włókien niż równoległy, a więc
kompozyty dwu- i wielokierunkowe. Dodatkową zaletą materiałów wzmacnianych włóknami
węglowymi, szczególnie o osnowach polimerowych i węglowych jest ich niski ciężar
właściwy i przepuszczalność dla promieniowania rentgenowskiego. Ta druga cecha pozwala
ś

ledzić zrost kostny w całej objętości.

Interesującym wydaje się także zastosowanie w osteosyntezie płytkowej polimerów
termoplastycznych

wzmacnianych

włóknami

węglowymi

takich

jak:

polisulfon,

polieteroeteroketon, polilaktyd pozwalających na dopasowanie tuż przed operacją kształtu
płytki do powierzchni kości poprzez odkształcenie termiczne.

Rys.1 Zespolenie złamanej kości przy użyciu płytek zespalających.

Zagadnienia do przygotowania

1.

Budowa i metabolizm kości.

2.

Rodzaje osteosyntezy (ze szczególnym uwzględnieniem osteosyntezy płytkowej).

3.

Teoria kompozytów – prawo mieszanin.

4.

Właściwości mechaniczne materiałów (ze szczególnym uwzględnieniem materiałów
które będą badane podczas zajęć).

WYKONANIE ĆWICZENIA
Badania należy przeprowadzić na belkach z następujących materiałów:

a)

stal

b)

Al

2

O

3

c)

kompozyt włókno węglowe-żywica epoksydowa 1D

d)

kompozyt włókno węglowe-żywica epoksydowa 2D

e)

kompozyt węgiel-węgiel

1D

f)

kompozyt węgiel-węgiel

2D

g)

kość

Na podstawie właściwości fizycznych i mechanicznych (m.in. gęstość, porowatość,
wytrzymałość, moduł sprężystości, odkształcalność, zwilżalność) badanych materiałów
należy dokonać wyboru najlepszego tworzywa na płytki zespalające kości. Wybór należy
uzasadnić, a otrzymane dla badanych materiałów wyniki porównać z właściwościami kości.

1.

Oznaczenie gęstości, porowatości i nasiąkliwości płytek metodą ważenia

hydrostatycznego.

Gęstość i porowatość materiałów należy wyznaczyć metodą ważenia hydrostatycznego

i

.

Otrzymane próbki należy zważyć w powietrzu „na sucho” na wadze elektronicznej z
dokładnością do 0,001g. W celu określenie masy próbek w wodzie należy je uprzednio
umieścić na ok. 30 minut w gorącej wodzie; w tym czasie zmontować zestaw do ważenia
hydrostatycznego (zgodnie z instrukcją), a następnie zważyć ostudzone próbki w wodzie
destylowanej o temperaturze pokojowej.

Gęstość pozorną wyliczyć ze wzoru:

0

d

m

m

m

d

w

n

s

p

⋅

−

=

,

(1)

porowatość P

o

ze wzoru:

%

100

⋅

−

−

=

w

n

s

n

o

m

m

m

m

P

(2)

nasiąkliwość N

w

ze wzoru:

%

100

⋅

−

=

s

s

n

w

m

m

m

N

(3)

gdzie:

d

p

– gęstość pozorna materiału [g/cm

3

],

m

s

– masa materiału mierzona w powietrzu [g],

m

w

– masa materiału wyznaczona w wodzie [g],

m

n

– masa materiału nasyconego cieczą, mierzona w powietrzu [g],

d

0

– gęstość cieczy w temperaturze pomiaru [g/cm

3

].

2.

Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej podłużnej.

Wyznaczyć prędkość rozchodzenia się podłużnej fali ultradźwiękowej w materiale.
Próbki należy zmierzyć suwmiarką z dokładnością 0,1mm. Wykonać pomiar czasu
przejścia fali przez próbkę (po długości). Dla każdej próbki pomiar wykonać 5 krotnie.

3.

Porównanie właściwości mechanicznych płytek.

Na podstawie literatury i charakterystyk naprężeniowo - odkształceniowych otrzymanych
w próbie zginania badanych materiałów porównać ich wytrzymałość, moduł sprężystości
oraz odkształcalność.

4.

Obserwacje mikroskopowe przełamów.

Przełamy otrzymanych od prowadzącego belek po zniszczeniu oglądnąć pod
mikroskopem stereoskopowym. Wykonać fotografie i opisać krótko sposób pękania
poszczególnych materiałów.

5.

Określenie zwilżalności materiałów.

Dla wybranych przez prowadzącego materiałów określić ich zwilżalność za pomocą
goniometru.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

Wyniki badań należy przedstawić w tabelach lub/i na wykresach uwzględniając błąd
oznaczeń. Po każdym etapie badań należy przeprowadzić dyskusję wyników.
Sformułować wnioski końcowe i dokonać wyboru najlepszego materiału na płytki zespalające
z uwzględnieniem miejsca i rodzaju stabilizacji.

Literatura
1. Biomateriały Tom 4 w serii wyd. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 Pod red.

Macieja Nałęcza, Warszawa Exit 2004

2. Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna Tom 5. W serii wyd. Biocybernetyka i inżynieria

biomedyczna 2000. Pod red. Macieja Nałęcza, Warszawa Exit 2004

i

Polska Norma PN-ENV 1389:2003(U) Techniczna ceramika zaawansowana. Kompozyty

ceramiczne. Właściwości fizyczne. Oznaczanie gęstości i porowatości otwartej.