Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 1/2007 115
Ewa K O L C Z Y K * , Krzysztof SOBCZYK**, Jerzy MYALSK1***, Alicja B A L I N *
*Katedra Mechaniki Materiałów, Politechnika Śląska, Katowice; **Szpital Miejski w Siemianowicach Śląskich; ***Katedra Technologii Stopów Metali i K o m p o z y t ó w , Politechnika Śląska, Katowice
W P Ł Y W CZASU NA UTRATĘ WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH
POLIETYLENOWYCH PANEWEK E N D O P R O T E Z STAWU
B I O D R O W E G O
Streszczenie. W pracy podjęto próbę określenia ilościowych zmian właściwości użytkowych polietylenowych panewek endoprotez stawu biodrowego w zależności od upływu czasu od ich produkcji. Badaniom poddano panewki z wysokocząsteczkowego polietylenu, w y p r o d u k o w a n e g o w latach od 1991 do 2003. Przeprowadzono pomiary twardości materiału na płaskich przekrojach panewek oraz statyczną próbę rozciągania specjalnie przygotowanych z tych panewek próbek w postaci pierścieni. Stwierdzono niekorzystne zmiany badanych charakterystyk mechanicznych polietylenu wraz z upływem czasu.
1. W S T Ę P
W e współczesnej ortopedii j e d n y m z najważniejszych problemów jest zachowanie się implantów w organizmie człowieka [1], W a ż n e jest trwałe zamocowanie protezy, jaki trwałość materiału, z którego jest ona w y k o n a n a [2].
J e d n y m z głównych materiałów stosowanych w ostatnich trzech dziesięcioleciach w całkowitej endoprotezoplastyce stawu biodrowego jest wysokocząstcczkowy polietylen ( U H M W P E ) . P o m i m o dużego zastosowania U H M W P E w artroplastyce biodra i kolana w dalszym ciągu nic udało się wyeliminować niekorzystnych cech tego materiału. Nadal występuje proces zużycia i osteolizy, który dotyczy szczególnie ludzi młodych i aktywnych [4], Produkty zużycia pochodzące głównie od U H M W P E p o w o d u j ą resorbeję kości i niekorzystne reakcje w tkankach ludzkich, co prowadzi do obluzowania i pęknięć protezy [3],
A b y poprawić właściwości użytkowe polietylenowych implantów stosuje się usieciowany U H M W P E . Usieciowanie polietylenu prowadzi jednak do spadku jego właściwości mechanicznych szczególnie ciągliwości, wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na kruche pękanie [4].
Obluzowanie i niszczenie polietylenowych panewek endoprotez stawu biodrowego wiąże się ze zjawiskami ich plastycznego odkształcania, zużycia trybologicznego i zmian zachodzących w strukturze polietylenu oraz pękania [5]. Polietylen ma niską granicę plastyczności, co wiąże się z jego dużą zdolnością do odkształceń trwałych. Jednocześnie związane jest to z procesem zużycia trybologicznego [1], Oba te procesy p r o w a d z ą do osłabienia przekroju panewki, z dalszym procesem perforacji lub pękania [4],
116 E. Kolczyk, K. Sobczyk, J. Myalski, A. Balin Wszystkie zjawiska prowadzące do zniszczenia panewek wiążą się z czasem ich użytkowania. Dlatego też w pracy podjęto próbę określenia, jakim z m i a n o m ulegają charakterystyki mechaniczne polietylenu w miarę upływu czasu.
2. M E T O D Y K A B A D A Ń
Badaniom poddano panewki z wysokocząsteczkowego polietylenu wyprodukowane w i a t a c h 1991-1993, 1995 i 1997 (firmy Aesculap), oraz 2002-2003 (firmy Keramed). Przeprowadzono pomiar twardości na płaskich przekrojach panewek oraz statyczną p r ó b ą rozciągania specjalnie przygotowanych próbek w kształcie pierścieni. Próbę twardości przeprowadzono na urządzeniu H K 4 6 5 firmy Heckernt m e t o d ą Brinella przy obciążeniu 135N. Wgłębnikiem była kulka stalowa o średnicy 5 m m . Pomiaru twardości dokonano według schematu przedstawionego na rys.l
Statyczną próbą rozciągania pierścieni wyciętych z panewek przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron 4469, stosując prędkość rozciągania 50nun/min.
3. W Y N I K I B A D A Ń
Otrzymane wyniki badań twardości przedstawiono na wykresach zamieszczonych na rys.2. Na ich podstawie można stwierdzić, iż w miarę upływu czasu panewki zwiększają s w o j ą twardość.
Rys. 1. Schemat pomiaru twardości panewki
60 60 ¡5 20 5 20 10 y = -1,2519x +2538 R2 = 0,7732 " 10 y = 0,0561x2 - 225,36x + 226314 FP = 0,795 0 L— 1990 1995 2000 2005 0 1990 1995 2000 2005 r o k p r o d u k c j i r o k p r o d u k c j i
W p ł y w czasu na utratę właściwości użytkowych polietylenowych 117 E f e k t e m tego zjawiska jest spadek właściwości plastycznych polietylenu wraz z upływem czasu, co wiąże się z j e g o w i ę k s z ą skłonnością do kruchego pękania. Wyniki ze statycznej próby rozciągania próbek przygotowanych z panewek przedstawiono na rys.3 i 4.
N a podstawie krzywych rozciągania (rys.3) można stwierdzić, że próbka wykonana z panewki z 2003 roku doznaje dużych odkształceń plastycznych, w y k a z u j ą c zdolność do płynięcia.
Rok 2003 -Rok 1993
Rys. 3. Przykładowe krzywe rozciągania pierścieni wykonanych z panewek
Próbka z panewki z 1993 roku z a c h o w u j e się jak ciało kruche. Występujące odkształcenia są bardzo małe i sprężyste. Wiąże się z tym najniższa wytrzymałość na rozciąganie Rm= 13,42 M P a , uzyskana dla polietylenu z 1993 roku (rys.4). Dla pozostałych próbek
wartości R,„ kształtują się na tym samym poziomie z uwagi na stan materiału, który nie jest tak kruchy jak ten z 1993 roku, lecz zdolny jest do większych odkształceń plastycznych.
Rys. 4. Wartości modułu Younga E i wytrzymałości na rozciąganie Rm polietylenu w zależności od
roku produkcji panewek
Z porównania wartości modułów Younga E polietylenu (rys.4) wynika żc, materiał z lat najstarszych ma wartość E największą, a z lat najmłodszych najmniejszą. Spowodowane jest
E. Kolczyk, K. Sobczyk, J. Myalski, A. Balin 118
to skłonnością do starzenia się polietylenu wraz z upływem czasu, polegającą na utracie właściwości plastycznych.
4. P O D S U M O W A N I E
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że w miarę upływu czasu właściwości użytkowe panewek u l e g a j ą pogorszeniu. Zwiększa się twardość polietylenu oraz z m n i e j s z a j ą się j e g o właściwości plastyczne. M o ż e to p o w o d o w a ć skłonność polietylenowych panewek do kruchego pękania. A b y zwiększyć okres użytkowania polietylenowych panewek ważne zatem jest poznanie zjawisk, jakie z a c h o d z ą w materiale w miarę upływu czasu.
L I T E R A T U R A
[1] Okrajni J., Myalski J., Toborek J„ Kusz D., Cybo J., Duda P.: Prognozowanie zmian właściwości polietylenowej komponenty p a n e w k o w e j endoprotezy stawu biodrowego.Materiały II S y m p o z j u m Biomechanika w Implantologii, Katowice 1999, s.128-133.
[2] Będziński R.: Biomechanika inżynierska. Zagadnienia Wybrane. W y d a w n i c t w o Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997.
[3] Shi W., Dong H., Bell T.: Tribological behaviour and microscopic wear mechanisms of U H M W P E sliding against thermal oxidation treated Ti6A14V. Material Science and Engineering A291, (2000), s.27-36
[4] Birman M., Noble P., Conditt M., Li S., Mathis K.: Cracking and impingement in Ultra-High-Molecular-Weight polyethylene acetabular liners. The Journal of Arthroplasty 2005, Vol. 20 No.7 Suppl. 3, s. 87-92
[5] Toborek J., Okrajni J., G a j d a Z., Cybo J.: Mechaniczne uwarunkowania trwałoścpolietylenowej panewki w całkowitej endoprotezoplastyce stawu biodrowego. Chir. Narz. Ruchu i Ortop. Pol. 65(3) 2000, s.249-254.
IMPACT OF TIME ON LOSS USEFUL PROPERTIES OF THE
ARTIFICIAL HIP POLYETHYLENE ACETABULAR CUP
Summary. The aim of this paper is analysis of changes of mechanical properties of the artificial hip polyethylene acetabular cup depending on time of production. Polyethylene cups produced in the period between 1991 and 2003 were investigated. Hardness test has been made on flat, cross-sections acetabular cups and static tension test on special speciments which have ring shape. It has been stated disadvantageous effect that mechanical properties of PE change with time.
