29. Arkadiusz SZAREK: DETERMINANTY WPŁYWAJĄCE NA DESTRUKCJĘ CEMENTU KOSTNEGO ŁĄCZĄCEGO KOŚĆ UDOWĄ Z ENDOPROTEZĄ

Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 1/2007 173

Arkadiusz S Z A R E K , Instytut Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynicrii,

Politechnika Częstochowska, Częstochowa

DETERMINANTY W P Ł Y W A J Ą C E NA DESTRUKCJĘ CEMENTU

KOSTNEGO Ł Ą C Z Ą C E G O K O Ś Ć UDOWĄ Z ENDOPROTEZĄ

Streszczenie. Endoprotezy osadzane w kości udowej przy pomocy cementu kostnego są bardzo popularną metodą leczenia dysfunkcji biodra. Orientacyjnie p r z y j m u j e się, że taki sposób mocowania trzpienia w y k o n u j e się w około 6 0 % alloplastyk. Obciążenia przenoszone z głowy endoprotezy stawu biodrowego na płaszcz cementowy oraz niewłaściwy sposób cementowania m o g ą doprowadzić do zniszczenia struktury cementu kostnego. Przeprowadzone badania p o z w a l a j ą na wyznaczenie rozkładu naprężeń w warstwie cementu kostnego oraz określenie w a r u n k ó w cementowania i ich wpływ na trwałość polimetakrylanu metylu.

1. W S T Ę P

Sposób mocowania endoprotez w kości udowej oraz rodzaj trzpienia ma znaczący wpływ zarówno na czas unieruchomienia pacjenta, rehabilitację, jak również na żywotność sztucznego stawu. W zależności od wieku oraz stanu kości udowej, lekarz ortopeda p o d e j m u j e decyzję o zastosowaniu odpowiedniego rodzaju endoprotezy. Zasadniczym podziałem w alloplastyce jest rozróżnienie na endoprotezy cementowe oraz bezcementowe. Podział ten wynika z techniki implantacji [12]. Podczas wszczepiania protez cementowych używa się cementu kostnego ( P M M A ) , który po związaniu (6-8 minut) stanowi element spajający protezę z kością [3,5]. N a świecie znacznie więcej wszczepia się protez cementowych, orientacyjnie proporcje te w y n o s z ą jak 6/4 [2]. Odpowiednie dopasowanie trzpienia cementowego do wielkości j a m y szpikowej oraz właściwa grubość płaszcza c e m e n t o w e g o ma istotny wpływ na trwałość połączenia kość - cement - implant [4], U w a ż a się również, że nadmierna ilość cementu w p ł y w a na wzrost maksymalnej temperatury polimeryzacji prowadząc do zmian martwiczych w kości [9]. Cement kostny po polimeryzacji jest bardzo kruchy, stąd j e g o skłonność do pękania. Wytrzymałość P M M A na ściskanie wynosi 60 - 100 M P a i jest wystarczająca przy chodzeniu po wszczepieniu endoprotezy, jednak odporność na pękanie wyrażona j a k o współczynnik Kie wynosi 1,2±0,1 M P a - r n '2 [10].

2. C H A R A K T E R N A P R Ę Ż E Ń Z R E D U K O W A N Y C H K O Ś C I W O B S Z A R Z E P Ł A S Z C Z A C E M E N T U K O S T N E G O

W celu określenia wpływu warunków obciążenia oraz sposobu wypełniania j a m y szpikowej opracowano model numeryczny kość - cement - implant. W obliczeniach numerycznych cement kostny z a m o d e l o w a n o j a k o element liniowo — sprężysty o izotropowych właściwościach wytrzymałościowych. Grubość warstwy cementu łącząca kość u d o w ą z endoprotezą zmieniała się zgodnie z założeniami [6,11]. W części bliższej kości

Determinanty w p ł y w a j ą c e na destrukcję cementu kostnego łączącego kość ... 174 warstwa cementu wyniosła od 3-^5 [mm], w części dalszej w obszarze końca trzpienia 2-^3

[mm] [8], W celu określenia wartości naprężeń w zależności od grubości warstwy cementu zamodelowano płaszcz cementowy cieńszy o połowę w stosunku do wartości sugerowanych w literaturze przedmiotu. Model dyskretny z elementów o kształcie sześciościennym typu 3D Solid. Dla P M M A o grubości zgodnej z danymi literaturowymi model opisano na 16640 elementach, przy zmniejszonej grubości cementu model opisano na 9340 elementów. Dla cementu kostnego przyjęto następujące właściwości mechaniczne: moduł Younga E=0,24><104 [MPa], współczynnik Poissona v = 0,3 [7], Badania numeryczne przeprowadzone zostały przy wykorzystaniu oprogramowania A D I N A System 8.1 [1]. Siły obciążające głowę endoprotezy przyjęto dla pacjenta o ciężarze ciała B W = 687 [N], Charakter oraz wielkość naprężeń zredukowanych a .r, w obszarze płaszcza cementu kostnego o grubości 3 ^ 5 [mm] części bliższej kości, oraz 2 ^ 3 [mm] w części dalszej przedstawione zostały na rysunkach la oraz 2a. Charakter naprężeń zredukowanych

C T - , . 2 W warstwie cementu kostnego o grubości Vi płaszcza cementu w y j ś c i o w e g o

przedstawiono na rysunkach l b oraz 2b.

B& t 4.W f-łcOC F a) k n ¿m, U ^ J k Hn^ /

f 1

|

r

r

1

!

F

Rys. 1. Charakter naprężeń zredukowanych cr_r w warstwie cementu kostnego a) grubość płaszcza cementowego zgodnie z literaturą przedmiotu b) warstwa cementu cieńsza o połowę od założeń literaturowych

Maksymalna wartość naprężeń zredukowanych w obszarze cementu o grubości sugerowanej w literaturze wynosi e r .r l= 7,521 [MPa], podczas gdy zmniejszenie grubości cementu o połowę p o w o d u j e wzrost wartości naprężeń do o\,.2 = 12,481 [MPa], co stanowi

166% cj_r|.

3. W P Ł Y W T E C H N I K I C E M E N T O W A N I A N A J E D N O R O D N O Ś Ć C E M E N T U

Kolejnym czynnikiem mającym znaczący wpływ na żywotność cementu kostnego jest sposób i dokładność wprowadzania cementu kostnego do j a m y szpikowej. Ze względu na skurcz polimeryzacyjny grubość płaszcza cementowego może ulec nieznacznej zmianie. Niedokładne wypełnienie j a m y szpikowej p o w o d u j e powstanie nierównomierności i niejednorodności cementu kostnego. Wprowadzenie cementu do j a m y szpikowej pod zbyt małym ciśnieniem może doprowadzić do niewłaściwej kompensacji cementu oraz powstania niejednorodnej struktury płaszcza cementowego (rys. 2).

175 A. Szarek

Rys.2. N i e j e d n o r o d n a struktura cementu kostnego powiększenie 10x

Nieprawidłowy proces mieszania polimeru i monomeru oraz niewłaściwe warunki polimeryzacji m o g ą doprowadzić do powstania związków lotnych i zagazowania masy cementowej Powstałe związki lotne podczas polimeryzacji p o w o d u j ą tworzenie się „pustych"' pęcherzy w obszarze płaszcza P M M A (rys. 3), które podczas wprowadzenia naprężeń m o g ą doprowadzić do pęknięcia i zniszczenia warstwy cementu.

Rys.3. Pęcherze gazowe wewnątrz P M M A powiększenie 10x

Wielkość oraz umiejscowienie pęcherzy gazowych jest trudne do określenia i wyeliminowania, przez co powstanie pęknięć między pęcherzami gazowymi jest bardzo prawdopodobne. Należałoby jednocześnie określić, j a k i e pierwiastki lotne p o w o d u j ą powstanie bąbli gazowych i jaki jest ich wpływ na organizm ludzki.

4. P O D S U M O W A N I E I W N I O S K I

N a podstawie przeprowadzonych badań numerycznych oraz doświadczalnych określono zasadnicze czynniki m a j ą c e znaczący wpływ na okres użytkowania cementu kostnego. Pierwszym czynnikiem m a j ą c y m decydujący wpływ na jednorodność struktury cementu jest właściwy proces przygotowania m a s y cementowej oraz wprowadzenie cementu do j a m y szpikowej pod ciśnieniem, które pozwoli na utworzenie jednorodnej, monolitycznej struktury płaszcza cementowego. Kolejnym istotnym parametrem jest właściwe przygotowanie masy cementowej. Prawidłowe połączenie polimerowego proszku i płynnego monomeru pozwala na wyeliminowanie pęcherzy gazowych. Z a r ó w n o nierównomierna struktura wewnętrzna cementu jak i bąble g a z o w e b ę d ą p o w o d o w a ć kumulację naprężeń podczas pracy cementu kostnego, skutkiem czego może być powstawanie mikropęknięć oraz wykruszanie się drobin cementu i j e g o migracja do organizmu. W przypadku uzyskania j e d n o r o d n e j struktury cementu kolejnym czynnikiem m o g ą c y m doprowadzić do szybszego zniszczenia cementu jest grubość warstwy P M M A łączącej endoprotezę z kością. Zbyt cienka warstwa cementu kostnego p o w o d u j e znacznie większe naprężenia cementu, podczas gdy w zbyt grubej

Determinanty w p ł y w a j ą c e na destrukcję cementu kostnego łączącego kość ... 176 warstwie zwiększa się możliwość powstania zagazowanych obszarów wewnątrz cementu oraz

drastycznie wzrasta temperatura polimeryzacji.

L I T E R A T U R A

[1] A D I N A : Theory and Modeling Guide, Adina R & D , INC. 1997.

[2] Będziński R.: Biomechanika Inżynierska Zagadnienia Wybrane, Oficyna W y d a w n i c z a Politechniki Wrocławskiej, W r o c ł a w 1997.

[3] Daniels A.U. et al. - Freeze - arrested polymerisation of P M M A bone cement. Biomed. Mat. Res. Symp. Trans., 2, 1978, 120-121.

[4] Jabłoński T., Serafin J., Kowalski M.: Analiza porównawcza endoprotezoplastyki cementowej i bezcementowej biodra w aspekcie obluzowania aseptycznego, Chirurgia Narządów Ruchu i Ortopedia Polska 1996, Vol. LXI, Suppl. 3A, s. 107-113.

[5] Lee H.B., Turner D.T. — Temperature control of bone cement addition of crystalline monomer. I. Biomed. Mat. Res., 11, 1977, 671-676.

[6] Lennon A. B., Prendergast P. J.: Residual stress due to curing can initiate damage in porous bone cement: experimental and theoretical evidence, Journal of Biomechanics 2002, Vol. 35, s. 311-321.

[7] Lennon A. B., Prendergast P. J.: Residual stress due to curing can initiate damage in porous bone cement: experimental and theoretical evidence. Journal of Biomechanics 2002, Vol. 35, s. 311-321.

[8] Mann K.A., Bartel D.L., Wright T.M., Burstein A.H.: Coulomb frictional interfaces in modeling cemented total hip replacements: a more realistic model, J. Biomech. 28 (9) (1995) 1067-1078.

[9] M c C o r m a c k B.A.O., Prendergast P.J.: Microdemage accumulation In the cement layer of hip replacement under flexural loading. Journal of Biomechanics 1999, Vol. 32, s. 467-475.

[10] Saito M. et al. - Experimental Studies of a new bioactive bone cement: hydroxyapatite composite resin. Biomaterials, 15, 1994, 156-160.

[11] Syfried A., Rąpała K., Wit A.: Patobiomechanika chodu w uszkodzeniu stawu kolanowego, Biology of Sport 1998, Vol. 15, Suppl. 8.

[12] Tom J.J.H.. Slooff B., Schreurs W.: Cementowa protezoplastyka rewizyjna stawów biodrowych z użyciem ubijanych, ałlogcnnych gąbczastych przeszczepów kości, Oddział Ortopedii Szpitala Uniwersyteckiego Sint Radboud, N i j m e g e n , Holandia. [W:] Protezoplastyka rewizyjna stawów biodrowych, pod red. Krzysztofa Modrzewskiego, Lublin 2000,' s. 14.

DETERMINANTS WHICH AFFECT THE DESTRUCTION OF BONE

CEMENT CONNECTING FEMORAL BONE WITH PROSTHESIS

Summary. Prosthesis set in femoral bone by m e a n s of bone cement are a very popular method of hip malfunction treatment. It is estimated that this type of stem fixation is used for ca. 6 0 % of alloplasty surgeries. Load transferred f r o m the hip joint prosthesis head to cement layer and improper method of cementing m a y lead to destruction of the structure of bone cement. The investigations enable the stress distribution to be assessed in bone cement layer as well as to determine cementing conditions and their effect on durability of polymethylmethacrylate.