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

śledzić 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) Al2O3

c) kompozyt włókno węglowe-żywica epoksydowa 1D

d) kompozyt włókno węglowe-żywica epoksydowa 2D

e) kompozyt węgiel-węgiel

f) kompozyt węgiel-węgiel

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.

Oznaczenie gęstości, porowatości i nasiąkliwości płytek metodą ważenia

hydrostatycznego.

Gęstość i porowatość materiałów należy wyznaczyć metodą ważenia hydrostatycznegoi.

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:

⋅ d

0 ,

(1)

m − m

porowatość Po ze wzoru:

n −

Po =

⋅10 %

(2)

n −

nasiąkliwość Nw ze wzoru:

n −

Nw =

⋅10 %

(3)

gdzie:

dp – gęstość pozorna materiału [g/cm3],

ms – masa materiału mierzona w powietrzu [g],

mw – masa materiału wyznaczona w wodzie [g],

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

d0 – gęstość cieczy w temperaturze pomiaru [g/cm3].

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.