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
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 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:
m
d
s
=
⋅ d
p
0 ,
(1)
m − m
n
w
porowatość Po ze wzoru:
m
m
n −
s
Po =
⋅10 %
0
(2)
m
m
n −
w
nasiąkliwość Nw ze wzoru:
m
m
n −
s
Nw =
⋅10 %
0
(3)
ms
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.