NAUKOWE
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
V . ' W b / o 4
Alicja BALIN
MATERIAŁOWO UWARUNKOWANE PROCESY ADAPTACYJNE I TRWAŁOŚĆ CEMENTÓW STOSOWANYCH
W CHIRURGII KOSTNEJ
GLIWICE 2004
ZESZYTY NAUKOWE Nr 1610
9 . ? > 3 S 2 b j
Alicja BALIN
MATERIAŁOWO UWARUNKOWANE PROCESY ADAPTACYJNE I TRWAŁOŚĆ CEMENTÓW STOSOWANYCH
W CHIRURGII KOSTNEJ
GLIWICE 2004
D r hab. Barbara SU ROW SKA, prof. Politechniki Lubelskiej D r hab. inż. Jan R. DĄBROW SK I, prof. Politechniki Białostockiej
KOLEGIUM REDAKCYJNE
RED AKTOR N A C ZELN Y — Prof. dr hab. inż. Andrzej BUCHACZ RED A K TO R DZIAŁU — Prof. dr hab. inż. Stanisław SERKOW SKI SEKRETARZ RED A KCJI — M gr Elżbieta LEŚKO
REDAKCJA M gr R om a ŁOŚ
REDAKCJA TECHNICZNA A licja NOWACKA
PL ISSN 0324-802X
© C opyright by A licja BALIN
SPIS TREŚCI
WYKAZ W AŻNIEJSZYCH O ZN A C Z E Ń ... 5
1. W PROW ADZENIE... 7
2. STUDIUM AKTUALNEGO STANU ZAG AD NIENIA... 10
2.1. Zastosowanie kompozytów polimerowych w medycynie... 10
2.2. Zastosowanie kompozytów polimerowych w endoprotezoplastyce staw ów ...12
2.3. W pływ techniki operacyjnej na trwałość cementowej endoprotezoplastyki...16
2.3.1. Dodatki w cemencie kostnym związane z techniką operacyjną...18
2.4. W arunki użytkowania cementów w chirurgii kostnej...19
2.4.1. Rozkład obciążeń i naprężeń w sztucznym stawie biodrow ym ... 21
2.4.2. Zdolność komponentów sztucznego stawu biodrowego do tłum ienia d rg a ń ...29
2.4.3. Stabilność i trwałość sztucznego stawu biodrow ego... 31
2.4.4. Zachowanie się cementu jako komponentu sztucznego stawu w warunkach obciążeń zm iennych...'... 33
2.5. Właściwości użytkowe cementu jako kompozytu polimerowego stosowanego w chirurgii k o stn e j... 36
2.5.1. W pływ środowiska organizmu na charakterystyki mechaniczne cem entu... 39
2.5.2. Kierunki poprawy właściwości użytkowych cem entu... 40
3. PODSUMOW ANIE STUDIUM Z A G A D N IEN IA ... 43
4. CEL I TEZA PR A C Y ... 48
5. BADANIA W Ł A S N E ... 50
5.1. M etodyka i program badań...50
5.2. M ateriał do badań...50
5.3. Badania właściwości fizycznych i m echanicznych... 51
5.3.1. Charakterystyka podstawowych właściwości mechanicznych badanych cementów chirurgicznych...51
5.3.2. Analiza stanu naprężenia w c e m e n c ie ... 57
5.3.3. Charakterystyka właściwości mechanicznych zmodyfikowanych cementów chirurgicznych w warunkach oddziaływania obciążeń zmiennych... 60
5.3.4. Próba matematycznego ujęcia zjawisk Teologicznych w cemencie jako komponencie sztucznego stawu biodrow ego...65
5.3.5. Badania skurczu i temperatury polimeryzacji cementów chirurgicznych... 74
5.3.5.1. Ocena wpływu domieszki ceramiki na temperaturę polimeryzacji cem entu... 78
5.3.6. Badania strukturalne zmodyfikowanych cementów chirurgicznych... 84
5.4. Badania in vitro oraz in vivo reakcji organizmu na wszczepy z nowych kompozytów polim erow ych... 90
5.4.1. Badania bakteriologiczne cementów chirurgicznych modyfikowanych antybiotykam i...90
5.4.2. Badania reakcji organizmu na wszczepy ze zmodyfikowanych cementów chirurgicznych...93
5.4.2.1. Badania królików w ramach obserw acji...93
5.4.2.2. Sekcyjne określenie masy narządów wewnętrznych...94
5.4.2.3. Badania histopatologiczne narządów wewnętrznych i preparatów z kości udow ej...95
5.5. Ocena przydatności kompozytów polimerowych w chirurgii kostnej... 97
6. WNIOSKI I PO D SU M O W A N IE... 101
LITER A TU R A ...105
STRESZCZENIE... 115
ZA ŁĄ CZN IK I...119
CONTENTS
LIST OF BASIC N O TA TIO N S... 5
1. IN TRO D U C TIO N ...7
2. THE STUDY OF CURRENT IS S U E ...10
2.1. Polymer composites used in m edicine...10
2.2. Polymer composites used in hip arthroplasty... 12
2.3. The effect o f surgical technique upon durability o f cement arthroplasty...16
2.3.1. Admixtures in cement relevant to the surgical technique applied... 18
2.4. The conditions o f application o f cements in bone surgery...19
2.4.1. Load and stress distribution in hip prosthesis... 21
2.4.2. D amping capacity o f hip prosthesis com ponents...29
2.4.3. Stability and durability o f hip prosthesis... 31
2.4.4. The behaviour o f cement as hip prosthesis component in changing load conditions... 33
2.5. Usability properties o f cement as polym er composite in bone surgery... 36
2.5.1. The influence o f environm ent upon the mechanical properties o f cem ent... 39
2.5.2. The suggestions for improvement o f usability properties o f c e m e n t...40
3. CURRENT ISSUES - C O N C LU SIO N S... 43
4. AIM AND T H E S IS ... 48
5. SELF R E S E A R C H E S ... 50
5.1. Methodology and plan o f researches...50
5.2. Test m a te ria l...50
5.3. Examination o f physical and mechanical properties...51
5.3.1. D escription o f basic mechanical properties o f tested surgical c e m e n ts... 51
5.3.2. A nalysis o f stress state in the cem ent... 57
5.3.3. D escription o f mechanical properties o f modified surgical cements in changing load conditions...60
5.3.4. An attempt at mathematical formulation o f rheological phenomena o f cement as hip com ponent... 65
5.3.5. Tests on shrinkage and temperature o f polymerization o f surgical cements ...74
5.3.5.1. Evaluation o f ceram ic admixtures effect on polymerization tem perature o f cem e n t... 78
5.3.6. Structural tests on modified surgical cem e n ts... 84
5.4. In vivo and in vitro tests on organism reaction for new polymer composite im plants... 90
5.4.1. Bacteriological tests carried on surgical cements modified with antibiotics... 90
5.4.2. Tests on organism reaction for modified surgical cement im plants...93
5.4.2.1. Tests performed on ra b b its...93
5.4.2.2. Sectional determination o f internal organs m ass... 94
5.4.2.3. Histopathological examinations o f internal organs and preparations taken from a thigh b o n e ... 95
5.5. Evaluation o f polym er composites usability in bone surgery... 97
6. C O N C LU SIO N S...101
B IB LIO G R A PH Y ... 105
A B ST R A C T ...117
A PPEN D IXES... 119
a - w sp ó łc z y n n ik p rzew o d n o ści tem p eratu ro w ej a„ - u d a m o ść
c — cie p ło w łaściw e
d l/ d N - p ręd k o ść rozw o ju p ęk n ięc ia zm ęczen io w eg o E - m o d u ł Y o u n g a
Ec - m o d u ł sp ręży sto ści podłużnej przy ścisk an iu
Ecs - m o d u ł sp ręży sto ści p o dłużnej przy ścisk an iu cem e n tu ch iru rg ic zn eg o po w y trzy m an iu w so li fizjo lo g iczn ej
E j - d y n am iczn y m o d u ł sp ręży sto ści przy ro zciąg an iu Eg - m o d u ł sp ręży sto ści p o dłużnej p rzy z g in an iu
Egs - m o d u ł sp ręży sto ści p o dłużnej przy z g in an iu cem e n tu c h iru rg ic zn eg o po w y trzy m an iu w soli fizjologicznej
Er - m o d u ł sp ręży sto ści p o dłużnej przy ro zciąg an iu
Ers - m o d u ł sp ręży sto ści p o dłużnej p rzy ro z ciąg an iu cem e n tu ch iru rg ic zn eg o po w y trzy m an iu w soli fizjologicznej
E„ - m o d u ł relaksacji / - często tliw o ść
F - siła
J c - k ry ty czn a w arto ść całki J (R ic e ’a)
K c - k ry ty czn y w sp ó łc z y n n ik in ten sy w n o ści n aprężeń N - liczb a cykli
N f — liczba cykli do zn isz c z e n ia ( trw ało ść) q - c i e p ł o p o l i m eryzacj i
q v - w y d a jn o ść ź ró d ła ciep ła o d n ie sio n a do je d n o s tk i objętości
q - w y d a jn o ść ź ró d ła ciep ła o d n ie sio n a do je d n o stk i m asy, z m ie n n a w czasie R c - w y trzy m ało ść n a ścisk an ie
Rcs - w y trzy m ało ść n a ścisk an ie cem en tu ch iru rg ic zn eg o po w y trzy m an iu w soli fizjo lo g iczn ej
Rg - w y trzy m ało ść n a zg in an ie
Rgs ~ w y trz y m a ło ść n a zg in an ie cem en tu ch iru rg ic zn eg o po w y trzy m an iu w soli fizjo lo g iczn ej
Rm - w y trzy m ało ść na ro zciąg an ie S - sk u rc z lin io w y
t - czas
t f - czas g ran iczn y T - te m p e ra tu ra v - p rzem ieszczen ie
a - w sp ó łc z y n n ik liniow ej ro zszerzaln o ści cieplnej A - w sp ó łczy n n ik p rzew o d n o ści cieplnej A v - z ak res p rz e m ieszczen ia
A F - zak res siły
A K - z a k re s w sp ó łc z y n n ik a in ten sy w n o ści n ap rężeń A e - zak res o d k ształcen ia
A a — za k re s n a p rę ż e n ia
=* ta
e — o d k sz ta łc e n ie
Ga — a m p litu d a o d k sz ta łc e n ia Ey - te n s o r o d k sz ta łc e n ia rj - w sp ó łc z y n n ik lepkości
- g ęsto ść
- n a p rę ż e n ie n o rm a ln e (Ta - a m p litu d a n a p rę ż e n ia otj - te n s o r n a p rę ż e n ia
t — n a p rę ż e n ie sty czn e
v - czas sp rę ż y ste g o n a stę p stw a co - c z ę sto ść k o ło w a
1. WPROWADZENIE
O siąg n ięcia nauk tech n iczn y ch , a w szczeg ó ln o ści inżynierii m ateriało w ej, z n a jd u ją co ra z częściej z asto so w an ie w m ed y cy n ie. Z ro zw o jem im p lan to lo g ii z w iązan a je s t k o n iecz n o ść sto so w an ia no w y ch m ateriałó w o o d p o w ied n ich w łaściw o ściach fizy k o ch em iczn y ch , zg o d n y ch b io lo g iczn ie z tk an k am i człow ieka. W chirurgii kostnej osobną, d u ż ą g ru p ę sta n o w ią tw o rzy w a p e łn ią c e fu n k cję b io m a te ria łó w n a u zu p ełn ien ia u b y tk ó w k o stn y ch . I tak , w o steo-, kran io - i artro p la sty ce zn ala zły z a sto so w an ie tw o rzy w a p o lim ero w e, w ęg lo w e o raz ceram iczn e. W o rtopedii i trau m ato lo g ii n ajcz ęściej stosow anym i b io m ateriałam i w celu m o c o w a n ia en d o p ro tez staw ów s ą cem enty k o stn e należ ące do grupy k o m p o zy tó w p o lim ero w y ch [9 5 ,97,134,175].
P o lim ery w ch iru rg ii kostnej zaczęto w y k o rzy sty w ać z c h w ilą p o d jęcia pierw szych p ró b ich ap lik acji w m ed y cy n ie [97]. Z asto so w an ie m ed y czn e p o lim eró w je s t bardzo szero k ie, p rzy k ład o w o w ch iru rg ii czaszki, n a szw y ch iru rg ic zn e, p rotezy w iązad eł, elem enty zesp alające, a ta k ż e w p rak ty ce sto m ato lo g iczn ej [4 6 ,7 1 ,7 6 ,9 5 ,9 7 ,1 2 6 ,1 3 1 ]. Ja k po d aje literatu ra [175], dzięk i C h am ley o w i, który w 1960 roku w p ro w a d z ił m eto d ę u stalania en d o p ro tez z a p o m o c ą ży w icy m etak ry lan u m etylu, n a stą p ił rozw ój n o w o czesn ej alloplastyki staw u b io d ro w eg o , a po zasto so w an iu ak ry lo w eg o cem e n tu k o stn eg o w yniki tej m etody operacyjnej u leg ły zn aczn ej popraw ie. N ad al je d n a k p o zo staje nie ro zw iązan y problem o d tw o rzen ia pełnej b io fu n k cjo n aln o ści p rz e z elem en ty sztu czn eg o staw u z m aterii n ieo ży w io n ej [2 3 ,2 6 ,3 2 ,3 7 ,6 7 ,7 8 ,9 5 ,1 1 6 ,1 1 7 ,1 5 7 ,1 6 0 ].
S to so w an e w m o n o g rafii p o jęcie b io fu n k cjo n aln o ści w p ro w ad zo n e zo stało ju ż w e w cześn iejszy ch p racach realizo w an y ch w Z esp o le prof. T ad eu sza L am bera. K o n ieczn o ść zd e fin io w a n ia teg o p o ję c ia w y n ik a ła z braku w literaturze, zaró w n o tech n iczn ej, ja k i m ed y czn ej, o k reśleń u jm u jący ch ró żn o ro d n o ść czy n n ik ó w decy d u jący ch o zach o w an iu się im plantu w o rg an izm ie człow ieka.
W aru n k iem pełnej b io fu n k cjo n aln o ści n atu raln eg o staw u b io d ro w eg o , któ ra zap ew n iałab y m ięd zy innym i:
- n ie z a w o d n ą pracę staw u w w aru n k ach n aw et ek strem a ln y ch obciążeń, - b e z b ó lo w ą m o b iln o ść p rz e z długi czas, czyli tzw . trw ało ść (ży w o tn o ść) staw u, - sz y b k ą n a tu ra ln ą reg en erację uszk o d zo n y ch lo k aln ie tk a n e k k o stnych i innych, - tłu m ie n ie drgań i w ib racji, am o rty zację przeciążeń i udarów ,
je s t p raw id ło w y stan w szy stk ich sp rzężo n y ch ze s o b ą je g o elem entów .
W p rzy p ad k u za d z ia ła n ia czy n n ik ó w p ato lo g iczn y ch (zew n ętrzn y ch lub w ew n ętrzn y ch ) lub po im p lan tacji end o p ro tezy zm ian ie ulega p rzestrzen n y układ reakcji w n arz ą d z ie ruchu człow ieka. P o w o d u je to , z w łaszcza w p rzy p ad k u p o w ik łań po en d o p ro tezo p lasty ce, ró ż n o ro d n e zab u rzen ia w b io fu n k cjo n aln o ści sztu czn eg o staw u b io d ro w eg o lub n aw et je g o c a łk o w itą dysfunkcję. W zw iązku z ty m w e w spółczesnej im p lan to lo g ii staw u b io d ro w eg o dąży się do tak ieg o o d tw o rzen ia u szk o d zo n y ch struktur, by zap ew n iały w o k reślo n y m za k re sie n iek tó re z w y m ien io n y ch w łaściw o ści, ja k ie m a naturalny staw b io d ro w y [42].
S tab iln o ść sztu czn eg o staw u w d łu g im ok resie czasu, u to ż s a m ia n ą często z trw ało ścią, b ę d ą c ą je d n y m z w aru n k ó w o czek iw an ej b io fu n k cjo n aln o ści, d e te rm in u ją cech y m ateriałow e, g eo m etry czn e i d y n am iczn e (o b ciążen ia) k o nstrukcji en d o p ro tezy o raz ich sprzężenie z o rg an izm em czło w ie k a [19,39,40,42,59] (rys. 1.1). P rzez stab iln o ść obiek tu fizycznego, ja k im je s t sztu czn y staw , ro zu m ie się je g o zd o ln o ść do p o w ro tu do stanu rów n o w ag i, z k tó reg o zo stał w y trąco n y p od w pływ em p rz e m ijająceg o p o b u d zen ia. P ojęcie dyn am iczn y ch cech k o n stru k cy jn y ch przy jęto , w zo ru jąc się n a pracach prof. Jan u sza D ietrycha, doty czący ch
te o rii k o n stru k c ji. W o g ó ln y m p rzy p ad k u cech y te m o ż n a ro zu m ieć ja k o o b c ią ż e n ia z e w n ę trz n e [39,40].
O b ie k t - sztu czn y staw
R ys.1.1. Czynniki wpływające na trwałość sztucznego stawu [59]
Fig. 1.1. Factors affecting the durability o f an artificial jo in t [59]
C e m e n t k o stn y je s t b a rd z o w ażn y m k o m p o n e n te m w p ły w ający m n a trw a ło ść s z tu czn eg o staw u. O b e c n ie p ro d u k o w a n e s ą n a św iecie ró żn e g a tu n k i c em e n tó w k o stn y ch , z k tó ry ch w ie le s ta n o w ią sam o p o lim e ry z u ją c e m asy a k ry lo w e, fo rm o w a n e w cza sie op eracji z m ie sz a n in y sp ro sz k o w a n e g o p o lim e ru i p ły n n eg o m o n o m eru . S k ład n ik iem p o lim ero w y m je s t zazw y czaj p o lim e ta k ry la n m ety lu (P M M A ). C iek ły m sk ła d n ik ie m m o n o m ero w y m je s t n ajcz ęściej m eta k ry la n m e ty lu (M M A ), a n ie k ie d y je g o m ie sz a n in ą z innym i m o n o m eram i a k ry lo w y m i. S k ład ch em ic z n y c em e n tó w k o stn y ch , rodzaj m a te ria łó w w y jścio w y ch , sp o só b fo rm o w a n ia i p rz e b ie g p o lim ery zacji, k tó ra z ach o d zi w ło ż u k o stn y m , d e c y d u ją o ich w ła śc iw o śc ia c h [7 7 ,8 4 ,1 4 4 ,1 7 5 ].
S to so w a n e w ch iru rg ii kostnej cem e n ty a k ry lo w e n ad al je s z c z e n ie d o sta te c z n ie s p e łn ia ją sta w ia n e im w y m a g a n ia ja k o b io m a te ria ło m d la en d o p ro tezo p lasty k i: o d p o w ied n iej sp ręży sto ści, w ysokiej w y trz y m a ło śc i zm ęc z e n io w e j, o d p o rn o ści n a p ęk an ie, zd o ln o ści do tłu m ie n ia d rg ań , o d p o rn o ści na ścieran ie, b io to leran cji [2 7 ,3 2 ,3 8 ,5 0 ,5 7 ,8 4 ,9 2 ,1 3 4 ,1 4 6 ,1 6 2 - 164]. L ic z n e w a d y c e m e n tó w ch iru rg ic zn y ch , j a k n a p rzy k ład : w y so k a k ru ch o ść, m ała w y trz y m a ło ść zm ęc zen io w a, to k sy czn o ść, p ro w a d z ą do p o w sta w a n ia o b lu zo w ań p o m ięd zy c e m e n te m i k o ś c ią o ra z p o m ięd zy cem e n tem i pro tezą, a ta k ż e tw o rz e n ia się odczynu zap aln eg o i ale rg ic z n e g o u p acje n tó w . C em en ty k o stn e c h a ra k te ry z u ją się w c ią ż je s z c z e n ie d o s ta te c z n ą z g o d n o śc ią b io lo g iczn ą, n iek o rzy stn y m i w łaściw o ściam i w y trz y m a ło śc io w y m i, sk ło n n o śc ią do u le g a n ia d e g rad acji, w y s o k ą te m p e ra tu rą w iązan ia, p ro w a d z ą c ą do u szk o d z e n ia term ic z n e g o tk a n e k [1 5 ,2 0 ,7 7 ,8 4 ,9 5 ,1 3 4 ,1 7 5 ]. N a sk u te k różnicy g ęsto ści p o lim e ru i m o n o m eru p o lim e ry z a c ja c e m e n tu zach o d zi z k o n tra k c ją o b jęto ści, w y w o łu ją c ą sk u rc z p o lim e ry z a c y jn y m a te ria łu , rzęd u 1-5% . S p o lim ery zo w an y , u tw ard zo n y c e m e n t k o stn y w y k a z u je p o ro w a to ść w g ra n ic a c h 1-10% [2 0 ,2 8 ,7 7 ,1 7 5 ].
K ieru n k i p o p ra w y w ła śc iw o śc i u ż y tk o w y ch c e m e n tó w ch iru rg ic zn y ch s p ro w a d z a ją się do zm ian y ich w łaściw o ści fizy czn y ch n a d ro d z e m o d y fik acji sk ład u ch em iczn eg o [144]. N a ś w ie c ie i w k ra ju p ro w a d z o n e s ą b a d a n ia m ające n a celu zn a le z ie n ie in n eg o cem e n tu c h iru rg ic z n e g o , n ie b ęd ą c e g o k o m p o zy tem p o lim ero w y m (np. cem e n ty fo sfo ra n o w e ) [27].
N a jc z ę śc ie j je d n a k p o d e jm o w a n e s ą p ró b y p o p raw y w łaściw o ści w y trz y m a ło śc io w y c h c e m e n tu ak ry lo w e g o p o p rz e z w p ro w a d z a n ie do n ie g o d o m ieszek , ta k ic h ja k : w łó k n a w ęg lo w e, p o liu re ta n o w e i stalo w e lub p ro szek a p a ty to w y [1 5 ,9 4 ,1 3 4 ,1 6 5 ].
P o w sz e c h n e sto so w an ie zab ieg ó w a llo p lasty k i staw ó w , sz c zeg ó ln ie biod ro w y ch , w ią ż e się z c o ra z c z ę s ts z ą p o trz e b ą w y k o n y w an ia zab ie g ó w rew izy jn y ch . W zab ie g ach ch iru rg ic zn y ch w y m ian y staw ó w w sk azan e je s t sto so w an ie cem e n tó w z za w a rto śc ią anty b io ty k u . W fa b ry czn ie p ro d u k o w an y ch c em e n tach sto so w an e s ą tak ie an tybiotyki, ja k siarczan g en tam y cy n y (P alaco s R ) lub m ieszan in a ery tro m y cy n y i k o listy n y (A K Z ) [109,175]. P o n iew aż sk u teczn o ść o d d ziały w a n ia ty ch an ty b io ty k ó w n a flo rę b a k te ry jn ą je s t co ra z m niejsza, ch iru rg p o d czas zab ieg u o p eracy jn eg o sam p rzy g o to w u je m ieszan k i cem ent- an tybiotyk. Jak o dodatki do cem e n tu u ży w an e s ą d o m ieszk i ró żn eg o rodzaju anty b io ty k ó w o szero k im sp ek tru m d ziałan ia [21,61,156]. S to so w an e od m ian y cem e n tu , w ty m z dodatkiem an ty b io ty k ó w , m o g ą ró żn ić się w łaściw o ściam i fizycznym i.
P o m im o w ielu no w y ch ro zw iązań kon stru k cji end o p ro tez, w d alszy m ciągu e n d o p ro tezo p lasty k a z u ży cie m cem e n tu je s t je d n y m z p o d staw o w y ch z ab ie g ó w w leczeniu ch iru rg ic zn y m staw ów . C e m e n t sto so w an y je s t tak że w w ielu innych zab ieg ach ch iru rg ic zn y ch , p o leg ający ch na u zu p ełn ian iu u b y tk ó w tk an k i kostnej. U zasad n io n e je s t zate m p ro w ad zen ie p rac n ad d alszym d o sk o n alen iem cem entu, o p raco w an iem now ych cem e n tó w w celu p o p raw y zaró w n o ich w łaściw o ści m ech an iczn y ch , ja k i zgodności bio lo g iczn ej, a ta k ż e zw ię k sz e n ia ich trw ało ści.
C em en ty ch iru rg ic zn e, będące w w ięk szo ści k o m p o zy tam i polim ero w y m i, po zw iązan iu s p a ja ją p ro tezę z k o śc ią [26]. C echy zatem , ja k ie w y k a z u ją one w ra z z upływ em czasu w w a ru n k ach o d d ziały w a n ia zm ien n y ch ob ciążeń , m o g ą m ieć w p ły w n a trw ało ść b io m e c h a n ic z n ą sztu czn eg o staw u . Z ty ch p o w o d ó w istotne z n aczen ie m a ją b ad an ia w łaściw o ści u ży tk o w y ch cem e n tó w w w aru n k ach sy m u lu jący ch ich zach o w an ie się w o rg an izm ie czło w iek a.
W p racy p o d jęto p ró b ę o k reślen ia relacji p o m ięd zy w aru n k am i o b ciąż en ia cem entu a w łaściw o ściam i b io m ech an iczn eg o uk ład u , n a przy k ład zie staw u b io d ro w eg o po cem en to w ej en d o p ro tezo p lasty ce. D o k o n an o ta k ż e p ró b y m o d y fik acji cem en tó w ch iru rg ic zn y ch w celu po p raw y ich w łaściw o ści fizycznych. P ró b ę tę o p arto n a opracow anej m eto d y ce o ce n y cech u ży tk o w y ch , a u zy sk an e w y n ik i zw ery fik o w an o b ad an ia m i in vivo.
2. STUDIUM AKTUALNEGO STANU ZAGADNIENIA
2.1. Zastosow anie kom pozytów polim erowych w m edycynie
W p ro w a d z e n ie do p rak ty k i m ed y czn ej p o lim eró w stan o w iło z n aczn y p o stęp w d z ie d z in ie b io m ateriałó w . W ch w ili o b ecn ej k o m p o zy ty p o lim e ro w e s ą w y k o rzy sty w an e w w ię k sz o śc i o b szaró w m ed y cy n y . K o m p o zy ty p o lim e ro w e s ta n o w ią p o łącz en ie o rg a n ic z n e g o sp o iw a z tzw . n a p e łn ia c z a m i (z b ro je n ie n ie o rg an iczn e, o rg an iczn e lub m ieszan e) o ra z ze sp o łe m su b stan cji d o d atk o w y ch (u k ład in icju jąco -in h ib itu jący , stab ilizato ry , fo to in icjato ry , b arw n ik i itd.). P o sp o lim ery zo w a n iu sp o iw a p o w staje k o m p o zy t, w któ ry m w o rg an iczn ej o sn o w ie s ą ro z m ie sz c z o n e p o lid y sp ersy jn e z iarn a n ap e łn ia c z a [170].
P o lim ery sy n te ty c z n e sto so w an e w p o czątk o w y m o k re sie na w szczep y do o rg an izm u b y ły p ie rw o tn ie w y tw a rz a n e w c e la c h p rzem y sło w y ch . D o p iero p ó źn iej w sz c z e p ie n ie n o w eg o m a te ria łu czło w ie k o w i p o p rz e d z a n o w n ik liw y m i b ad an ia m i n a zw ierzętach . D o po lim eró w sto so w an y ch w m e d y cy n ie z a lic z a się: ży w ice silik o n o w e, p o lite tra flu o ro e ty le n (teflon), p o lip ro p y len , p o lim etak ry lan m ety lu , p o liestry n asy co n e i n ien asy co n e, p o liety len y o raz p o liu retan y . L iczb ę p o lim eró w sy n tety czn y ch sto so w an y ch ja k o im planty o g ra n ic z a ją zn a c z n ie ta k ie cech y , ja k : b io p rz y sw a ja ln o ść i o d p o rn o ść n a d e g ra d a c ję w śro d o w isk u tk a n e k [72,95,131].
B io rą c p od u w a g ę re a k c je tk an k i kostnej n a im p lan ty , O sb o rn e p o d z ie lił m ateriały sto so w an e w e n d o p ro te z o p la sty c e n a n a stę p u ją c e g ru p y [55,119]:
b io to le ra n c y jn e (c e m e n t k o stn y , sta le n ierd zew n e), - b io in e rtn e (tle n e k g lin u , m a te ria ły w ęg lo w e),
b io ak ty w n e (ce ra m ic z n y fo sfo ra n w ap n ia, tw o rzy w o szk la n o -c e ra m ic z n e „ w itro c e ra m ” , h y d ro x y a p a ty t ceram iczn y ).
W p ro w a d z o n e p rz e z C h a m le y a do m o c o w a n ia en d o p ro te z staw ó w cem e n ty k o stn e n a le ż ą do n ajcz ęściej sto so w an y ch w o rto p ed ii i trau m ato lo g ii k o m p o zy tó w p o lim ero w y ch . N a św ie c ie w y tw a rz a n y c h j e s t w ie le g a tu n k ó w c e m e n tó w k o stn y ch , k tó ry ch p ro d u c e n ta m i s ą m ięd zy innym i firm y:
- C M W L ab o ra to rie s (W ielk a B ry tan ia) - C M W , G eb ru d e r S u lzer A G (S z w a jc a ria ) - S u lfix -6,
H o w m e d ic a In tern atio n al (W ie lk a B ry tan ia) - A K Z , S im p lex -P , S im p lex -R O , - R ic h a rd s M a n u fa c tu rin g (U S A ) - A c ry b o n d ,
Z im m e r (U S A ) — Z im m e r B o n e C em ent,
- H areu s K u lz e r G m b H an d C o .K G (N iem cy ) - P a la c o s K , P alaco s R , P alam ed 40.
C e m en ty k o stn e n a le ż ą do g ru p y sa m o p o lim ery zu jący ch m as ak ry lo w y ch . S ą k o m p o zy cjam i d w u sk ład n ik o w y m i, sk ład ający m i się z o d d z ie ln ie p ak o w an eg o sk ład n ik a p ro sz k o w e g o (p o lim e ru ) i sk ła d n ik a c ie k łe g o (m o n o m eru ). S k ład n ik iem p o lim ero w y m j e s t zazw y czaj p o lim etak ry lan m ety lu (P M M A ), a w n iek tó ry ch p rzy p ad k ach k o p o lim er m e ta k ry la n u m ety lu (M M A ) ze sty ren em (w cem e n c ie S im p lex -P ) lub ak ry lan em m etylu (P alaco s). P ro s z e k m a p o sta ć reg u larn y ch k u le c z e k lu b n ie re g u la rn y c h c z ą ste k o bardziej ro zw in iętej p o w ierzch n i, o śred n icy od u łam k ó w d o k ilk u se t m ik ro m etró w . In te g ra ln ą c z ę śc ią sk ła d n ik a p ro s z k o w e g o j e s t in ic ja to r p ro c e su p o lim ery zacji, np. n a d tle n e k b en zo ilu w ilości od 0 ,5 % (P a la c o s) do 3 % (C M W ) - a n iek ied y śro d e k cien iu jący d o bad ań rad io lo g iczn y ch w p o sta c i sia rc z a n u b aru (A K Z , A cry b o n d , C M W ) lub d w u tlen k u cy rk o n u (P alaco s R , S im p lex -R O , Im p la st) d o d aw an y w ilości do 15% . C iek ły m sk ła d n ik ie m m o n o m e ro w y m je s t n ajcz ęściej M M A , a n iek ied y je g o m ie sz a n in a z innym i m o n o m eram i a k ry lo w y m i, tak im i ja k m etak ry lan b u ty lu (S u lfix -6). W sk ła d ciek łeg o m o n o m e ru w c h o d z i zaw sz e inhibitor,
n ajczęściej w ilości o k o ło 50-75 ppm i p rzy sp ieszacz ty p u III-rzędow ej am iny, najczęściej N ,N -d im ety lo -p -to lu id y n y (D M P T ), w ilości od 0 ,6 % (P alaco s) do 2 ,7 % (S im p lex -P ) [77,175]. A k ry lo w e cem e n ty k o stn e, po zm ieszan iu ob u sk ład n ik ó w , p o lim e ry z u ją w ed łu g m ech a n izm u rod n ik o w eg o . W trak cie fo rm o w an ia cem en tu k o stn eg o zach o d zi k o lejn o w iele p ro cesó w fizy czn y ch i ch em iczn y ch , w w y n ik u których o trzy m u je się stru k tu rę w zajem n ie sp lątan y ch ła ń c u c h ó w ak ry lo w y ch [75,77].
W ym ogi staw ian e p o lim ero m sto so w an y m w m ed y cy n ie z w iązan e s ą z rodzajam i k o n tak tu , ja k ie m o g ą o n e m ieć z o rg an izm em , a m ianow icie:
k o n tak t k ró tk o trw ały (p o jem n ik i, cew niki, w ziern ik i),
k o n ta k t czaso w o -p en etru jący (dreny, sączki, sz tu c z n a nerka, p łu co serce, otoczki do leków ),
k o n ta k t ciąg ły (im p lan ty , k leje kostne, p ro tezy n aczy n io w e) [95,97].
C e m e n t k o stn y n ależ y do g ru p y b io p o lim eró w sy n tetycznych, m ający ch k o n tak t ciągły z o rg an izm em i m o ż n a go trak to w ać ja k o im plant. Jak p o d aje literatu ra [97], idealny im plant m o ż n a z d efin io w ać ja k o m ateriał, k tó ry ch arak tery zu je się tak im i w łaściw ościam i ch em iczn y m i i d y n am iczn y m i na p o w ierzch n iach fazow ych, ja k ie u m o ż liw ia ją realizow anie p o żąd an y ch zm ian fizjo lo g iczn y ch , ta k ja k b y w szczep b y ł nieobecny.
K o lejn e g en eracje im p lan tó w , w ty m p o lim ero w e, m o żn a p o d zielić w ed łu g ich sp o so b u o d d ziały w a n ia z org an izm em na im planty: inertne (b io o b o jętn e), b ioaktyw ne, b io d eg rad o w aln e, czyli m ające zd o ln o ść n ietoksycznej d eg rad acji w śro d o w isk u fizjo lo g iczn y m o ra z reso rb cy jn e, tzn . im planty z m ateriałó w o zd o ln o ściach u m o żliw iający ch ich re so rp c ję p rz e z śro d o w isk o b io lo g iczn e (ry s.2 .1 ) [95,97,131].
Rys. 2.1. Rodzaje i współzależność różnego typu biopolimerów [97]
Fig. 2.1. Types and correlation o f various biopolymers [97]
C e m e n t ch iru rg ic zn y n a b azie P M M A m ó g łb y k w alifik o w ać się do grupy b io p o lim eró w in ertn y ch (b io o b o jętn y ch ), ale w literatu rze [7 7,95,97,175] zw raca się uw agę, ż e c zęsto sa m p o lim e r j e s t m ateriałem inertnym , n a to m ia st za w a rte w n im dod atk i w postaci k atalizato ró w , stab ilizato ró w , zm ięk czaczy , b arw n ik ó w itp. m o g ą u czy n ić go m ateriałem to k sy czn y m . W c em e n tach ch iru rg iczn y ch to k sy c z n e w łaściw o ści w y k azu je m o n o m er - m etak ry lan m ety lu (M M A ) [77,9 5 ,9 7 ,1 4 4 ,1 7 5 ]. D lateg o c em e n t kostny, zg o d n ie z k la s y fik a c ją b io m ateriałó w w ed łu g O s b o m e ’a, z alicza się do gru p y m ateriałó w b io to leran cy jn y ch .
C e m en ty a k ry lo w e sto so w a n e s ą w ta k ic h d zied z in ach ch iru rg ii k o stn ej, ja k : - k ra n io p la sty k a (u z u p e łn ia n ie u b y tk u k o śc i czaszk i),
o ste o p la sty k a (u z u p e łn ia n ie u b y tk u ko ści),
a rtro p la sty k a (u su n ię c ie p rze sz k ó d o g ra n ic z a ją c y c h ru ch y w staw ach i w y tw o rzen ie n o w y ch p o w ie rz c h n i staw o w y ch ),
- c h iru rg ia sz c z ę k o w a (n p . d o z e sp a la n ia złam an ej żuchw y), - n e u ro c h iru rg ia (d o z e sp a la n ia i u sz ty w n ia n ia kręg ó w ),
c h iru rg ia o rto p e d y c z n a (w o ste o sy n te z ie p ato lo g iczn y ch zła m a ń k o ści, a p rzed e w szy stk im do z a m o c o w a n ia p ro tez w e n d o p ro tezo p lasty ce staw u b io d ro w eg o , ło k cio w eg o i k o la n o w e g o ) [2 6 ,3 2 ,4 6 ,7 1 ,7 6 ,9 5 ,1 2 3 ,1 2 6 ,1 3 4 ,1 3 5 ,1 7 5 ].
R e ak cja o rg a n iz m u n a im p lan t u k ie ru n k o w a n a je s t n a u su n ięcie go ja k o c ia ła obcego.
Jeśli n ie je s t to m o żliw e, w y stę p u je je d e n z n a stęp u jący ch p ro cesó w : w c h ła n ia n ie (ro z p u sz c z a n ie w p ły n a c h fizjo lo g iczn y ch ),
o d d z ie la n ie (o d c z y n z a p a ln y i te n d e n c je d o w y d alen ia ),
o to rb ie n ie (o to c z e n ie p rz e z tk a n k ę b liz n o w a tą i to re b k ę łą cz n o tk an k o w ą),
- m o ż liw o ść o rg an izacji (w ra sta n ie tk a n k i łącz n ej w p o ro w a te c iało o b ce) [95 ,9 7 ,1 3 8 ].
Jak p o d aje literatu ra m e d y c z n a [2 8 ,49,134] d o ty czą ca sto so w a n ia cem e n tu ak ry lo w eg o , istota p o w o d z e n ia a llo p lasty k i cem e n to w ej w d u ży m sto p n iu zale ży o d m e c h a n ic z n e g o za z ę b ia n ia się w y p u ste k c e m e n tu w ło ż y sk u k o stn y m . H isto lo g iczn ie n ig d y nie stw ierd zo n o b ezp o śred n iej in teg racji tk an k i k o stn ej z cem e n tem . P o m ię d z y n im i w y tw a rz a się w a rstw a g ra n ic z n a w p o staci b ło n y łą c z n o tk a n k o w e j zdolnej do p rze n o sz e n ia d u ży ch o b ciąż eń .
W z a le ż n o śc i o d fu n k cji i p rz e z n a c z e n ia b io m a te ria łó w — n a e lem en ty e n d o p ro tez, do ich m o co w an ia , czy te ż w ce lu u z u p e łn ia n ia u b y tk ó w tk an k i kostnej - p o w in n y o n e ch a ra k te ry z o w a ć się ta k im i w ła śc iw o śc ia m i, ja k np. w y so k a w y trz y m a ło ść z m ęc zen io w a i o d p o rn o ść n a p ę k a n ie , z d o ln o ść do tłu m ie n ia d rg ań , o d p o rn o ść n a ścieran ie, o d p o rn o ść na k o ro z ję , b io to le ra n c ja , k tó re z a p e w n ią sp e łn ie n ie o d p o w ie d n ic h w y m o g ó w b io fu n k c jo n a ln o śc i im p lan tu w o rg a n iz m ie człow ieka.
2.2. Zastosow anie kom pozytów polim erowych w endoprotezoplastyce staw ów
K o m p o zy ty p o lim e ro w e w p o staci c em e n tó w k o stn y ch s z c z e g ó ln ą ro lę o d g ry w a ją w z ab ie g ach e n d o p ro te z o p la sty k i staw ó w , g łó w n ie b io d ro w eg o i k o lan o w eg o .
C ałk o w ita en d o p ro te z o p la sty k a b io d ra je s t ak tu aln ie n ajczęściej w y k o n y w an y m zab ie g iem w o b rę b ie staw ó w c z ło w ie k a [1 ,2 1 ,3 5 ,7 8 ,1 0 0 ,1 2 1 ,1 3 4 ,1 3 7 ,1 3 9 ,1 5 8 ]. O b e c n ie k ażd eg o roku na św iecie im p lan to w an y ch je s t o k o ło 800 tys. sta w ó w b io d ro w y ch [26].
P o m im o że stw o rzo n e ju ż zo stały m o żliw o ści z a sto so w a n ia e n d o p ro te z d o sto so w an y ch do an a to m ic z n e g o k ształtu k ości u d o w ej, w y tw o rzo n y ch z no w y ch m a te ria łó w o k o rzy stn y ch w łaściw o ściach fizy k o ch em iczn y ch , zg o d n y ch b io lo g iczn ie z tk a n k a m i czło w ie k a [1 ,5 5 ,1 0 0 ,1 1 9 ,1 2 1 ,1 2 3 ,1 3 7 ], w c e lu z a k o tw ic z e n ia w k ości k o m p o n e n tó w w ie lu ty p ó w e n d o p ro te z nadal k o n ie c z n e je s t u ży cie cem e n tu c h iru rg ic z n e g o [1 5 ,1 9 ,2 0 ,2 6 ,3 2 ,4 9 ,5 9 , 6 0 ,9 1 ,9 5 ,1 0 1 ,1 3 4 ]. P ro te z cem e n to w y ch w sz c z e p ia się zn a c z n ie w ięcej n iż b ezcem en to w y ch . O rie n ta c y jn e p ro p o rc je liczby w szczep ian y ch en d o p ro te z cem e n to w y ch do b e z cem en to w y ch w y n o s z ą j a k 3 d o 2 [26].
W p racy [59] za m ie sz c z o n o d an e d o ty czą ce z ab ie g ó w e n d o p ro tezo p lasty k i w P o lsce.
W latach 1994-1995 w y sła n o do 147 o śro d k ó w o rto p ed y czn y ch a n k ie tę d o ty c z ą c ą ro d zaju i liczb y z a ło ż o n y c h e n d o p ro te z sta w u b io d ro w e g o , o k re s u o b serw acji o ra z liczb y i ro d zaju o b lu zo w ań . N a a n k ie tę o d p o w ie d z ia ło 13% o śro d k ó w , w których w ciąg u 20 lat (okres o b serw acji w y n o sił od 1/2 roku d o 20 lat) z a ło ż o n o łą c z n ie 51 2 4 e n d o p ro tezy staw u b io d ro w e g o , co d a je ś re d n ią liczb ę ok. 25 6 p ro te z ro czn ie. P rzy z a ło ż e n iu że testo w an y ch 19
o śro d k ó w o rto p ed y czn y ch (4 k lin ik i i 15 szp itali) stanow i g ru p ę rep rezen taty w n ą, m o żn a u zn ać, ż e d a n e d o ty czą ce liczby w szczep io n y ch w ciąg u 2 0 la t en d o p ro tez w P o lsc e b ę d ą o d p o w ied n io ok. 8-k ro tn ie w ięk sze (a w ięc ok. 20 0 0 p ro tez rocznie).
W o k re s ie 20 la t z a ło ż o n o w b ad an y ch o śro d k ach łą c z n ie 48 0 9 e n d o p ro tez cem e n to w y ch , co stan o w i 9 3 ,8 5 % całkow itej sum y 5124 en d o p ro tez, natom iast b ezcem en to w y ch zn a c z n ie m n iej, bo ty lk o 31 5 , co stanow i 6 ,1 5 % ogólnej sum y. E n d o p ro tezy be z c e m e n to w e zaczęto w P o lsc e sto so w ać znaczn ie później n iż cem e n to w e - najdłuższy zan o to w an y o kres o b serw acji w y n o sił 1 1 lat.
W ciąg u 2 0 la t zao b serw o w an o w su m ie 2 1 9 o b lu zo w ań , w y m ag ają cy ch zabiegu reen d o p ro tezo p lasty k i, co stan o w i ok. 4 ,3 % zało żo n y ch end o p ro tez. T ak niski odsetek n ie p o w o d z e ń z a b ie g u en d o p ro tezo p lasty k i n a le ż y tłu m a c z y ć ty m , ż e w y n ik i u zy sk an o na po d staw ie b ad an ia p acje n tó w , k tó rzy zg łaszali się z o bjaw am i d o leg liw o ści, w ym agającym i p o w tó rn ej o p eracji. L o s p acje n tó w , k tó rzy n ie zg łaszali się n a k o n tro ln e b ad an ia , nie je s t w pełni znany. O d setek o b lu zo w ań en d o p ro tez b ezcem en to w y ch w y n o sił ok. 6% (1 9 o b lu zo w ań n a 315 zało żo n y ch en d o p ro tez) i b y ł w ięk szy n iż endo p ro tez c em e n to w y ch , d la których w y n o sił ok. 4 ,2 % (200 o b lu zo w ań n a 4 8 0 9 założonych en d o p ro tez). W śró d w y szczeg ó ln io n y ch ro d zajó w o b lu zo w ań w p rzy p ad k u endo p ro tez c em e n to w y ch n ajw ięc ej, b o 5 6 % b y ło o b lu zo w ań trzp ien ia, w ty m 3 2 % - n a g ra n ic y trzp ień - cem en t, 2 4 % - n a g ran icy cem e n t-k o ść, a o b lu zo w ań panew ki zan o to w an o 44% .
P rzed staw io n e w y n ik i s ta n o w ią o szaco w an ie, k tó re o p ie ra się n a n iew ielk iej b azie danych. U zy sk an ie b ardziej p recy zy jn y ch w y n ik ó w w y m ag ało b y p rz e p ro w ad zen ia d alszych badań.
W yniki p rzep ro w ad zo n ej an k iety w y k azały , ż e sp o śró d w szczep io n y ch w P o lsce e n d o p ro te z staw u b io d ro w eg o n ajw ięc ej, b o 4237 łą c z n ie w bad an y ch o śro d k ach stanow iły en d o p ro tezy firm y E S C U L A P , w ty m 4 0 8 7 cem en to w e, g łó w n ie ty p u W e lle ra [59].
Z p o ró w n a n ia o trzy m an y ch w y n ik ó w an k iety z danym i p u b lik o w an y m i w literaturze św iato w ej [1 ,2 6 ,5 5 ,7 3 ,7 4 ,1 1 9 ,1 2 1 ,1 3 5 ] w y n ik a, ż e stan en d o p ro tezo p lasty k i w P olsce z aró w n o pod w zg lęd em liczby, ja k i ja k o ś c i stosow anych en d o p ro te z nie je s t zadow alający, a en d o p ro te z o p la sty k a sta w ó w z u ży cie m c em e n tu k o stn eg o je s z c z e d łu g o b ę d z ie sto so w an a w p rak ty ce k linicznej.
kość korow a
chrząstka
kość
głow a
(m etal, ceram ika) panew ka (m etal) panew ka polietylenow a w arstw a przejściow a (np. cem ent, hydroksyapatyt)
trzpień (m etal) kość korow a torebka w łóknista
kość gąbczasta
m aź staw ow a
Rys. 2.2. Schemat budowy stawu biodrowego: a) naturalnego, b) sztucznego [19,110,146]
Fig. 2.2. Diagram o fh ip jo in t construction: a) natural, b) artificial [19,110,146]
N a tu ra ln y , z d ro w y staw b io d ro w y m a z ło ż o n ą b u d o w ę przy zró żn ico w an y ch w ła śc iw o śc ia c h p o sz c z e g ó ln y c h tk a n e k , tak ich ja k : k o ść k o ro w a i g ąb czasta, ch rząstk a, m aź staw o w a, m ię śn ie i w ię z a d ła , w aru n k u ją c y c h p e łn ą je g o b io fu n k c jo n a ln o ść (rys. 2.2 a). Po im p lan tacji e n d o p ro te z y stru k tu ra staw u b io d ro w eg o u le g a zm ian ie. D la ro zw ażań a n a lity c z n y c h i m o d e lo w a n ia w o g ó ln y m p rz y p a d k u m o ż n a p rzy jąć, ż e sztu czn y staw b io d ro w y stan o w i w arstw o w y u k ład k o m p o n en tó w : en d o p ro te z a (m etal, c e ram ik a itp.), w a rstw a p rz e jśc io w a (cem en t, h y d ro k sy ap aty t, p o liety len itp.), w a rstw a g ran iczn a, kość g ą b czasta, k o ść k o ro w a (rys. 2 . 2 b), ró ż n iący ch się zaró w n o w łaściw o ściam i m ech a n iczn y m i, j a k i b io lo g ic z n y m i, zm ie n ia ją c y m i się z u p ły w em cz a su [2 ,1 9 ,3 2 ,3 6 ,1 1 0 ,1 1 9 ,1 4 6 ].
P o d e jm u ją c się p ró b y z a m o d e lo w a n ia staw u , a w sz czeg ó ln o ści staw u b io d ro w eg o , ja k o u k ład u m e c h a n ic z n e g o , n a le ż y u w z g lę d n ić d u ż ą liczb ę z aró w n o lin io w y ch , ja k i n ie lin io w y c h e lem en tó w , k tó ry ch m e c h a n ic z n e w łaściw o ści s ą ró ż n o ro d n e d la k ażdego c z ło w ie k a o ra z z m ie n n e w cza sie [1 9 ,2 9 ,3 0 ]. W zgodnej o p in ii lek arzy n ie m a do tej pory m o żliw o ści o d tw o rz e n ia pełnej b io fu n k cjo n aln o ści p rz e z ele m e n ty sz tu czn eg o staw u b io d ro w eg o [95]. T rw a ło ść e k sp lo a ta c y jn ą sztu czn eg o staw u , w a ru n k u ją c ą je g o b io fu n k cjo n aln o ść, d e te rm in u ją cech y m a teriało w e, g eo m etry czn e i d y n a m ic z n e k o n stru k cji e n d o p ro tezy o ra z ich sp rz ę ż e n ie z o rg an izm em czło w ie k a [1 6 ,1 9 ,3 3 ,3 9 ,4 2 ,5 9 ]. Z ło żo n e b io m e c h a n ic z n e p ro b lem y , z w ią z a n e z p ro jek to w an iem e n d o p ro tez, m o ż n a ro zw iązy w ać w o p arciu o w sp ó łp ra c ę c h iru rg ó w o rto p ed ó w , b io lo g ó w i in ży n ieró w . K ażd a en d o p ro teza p rzed ro z p o c z ę c ie m im p la n to w a n ia u p acje n tó w p o w in n a by ć zate m o c e n ia n a z trzech p u n k tó w w id zen ia : m e c h a n ic z n e g o , fiz jo lo g ic z n e g o i k lin iczn eg o [19,35].
W p racy [19], w o p a rc iu o d a n e literatu ro w e, p o d jęto p ró b ę an alizy zag a d n ie n ia w p ły w u w a żn iejszy ch cech m ateriało w y ch i g eo m etry czn y ch k o m p o n e n tó w en d o p ro tezy staw u b io d ro w e g o na p ro cesy z w iązan e z je j b io fu n k cjo n aln o ścią. W ielo letn ie d o św iad czen ia k lin ic z n e i la b o ra to ry jn e w z a k re sie k o n stru k cji i d o b o ru m ateriału en d o p ro te z p o z w a la ją na sfo rm u ło w a n ie ta k ic h w y m o g ó w staw ian y ch m ateriało m , ja k : o d p o w ie d n ia sp ręży sto ść, w y so k a w y trz y m a ło ść zm ę c z e n io w a , o d p o rn o ść n a p ęk an ie , zd o ln o ść do tłu m ie n ia drgań, o d p o rn o ść n a ścieran ie, o d p o rn o ść n a k orozję, b io to leran cja, b io ak ty w n o ść.
Z p u n k tu w id z e n ia m ed y cy n y k o n stru k cje e n d o p ro tez p o w in n y za p e w n ia ć o d p o w ied n i z ak res ru ch u w staw ie, p rz e n o sz e n ie o b ciąż eń , o d p o rn o ść n a p rzeciążen ia, tłu m ie n ie drgań, sty m u la c ję m asy k o ści, o d p o rn o ść n a zu ż y c ie try b o lo g ic z n e o ra z o d p o rn o ść n a o d czy n y alerg iczn e. Z w ią z e k p o m ięd zy cech am i m ateriało w y m i i g eo m etry czn y m i en d o p ro tezy a czy n n ik a m i zw iązan y m i z b io fu n k c jo n a ln o śc ią sz tu czn eg o staw u b io d ro w eg o p rzed staw io n o sc h em aty czn ie n a rys. 2.3 [16,19,26].
B ad an ia nad d o sk o n alen iem k o n stru k cji e n d o p ro tez staw u b io d ro w eg o z m ie rz a ją w k ieru n k u an ato m iczn eg o d o sto so w a n ia ich do in d y w id u aln y ch p rzy p ad k ó w schorzeń.
S tan d ard em p o zo staje je d n a k nadal m o d el całkow itej cem en to w ej allo p lasty k i C h arn ley a, a k o lejn e m o d y fik acje tej e n d o p ro tezy p o le g a ją g łó w n ie n a zm ian ach w ielk o ści głow y, k rzy w izn y , p rz e k ro ju i długości trz p ie n ia lub d o d aw an iu k o łn ierza [16,32,60]. W n ow ych m o d elach trzp ien i elim in u je się o stre k raw ęd zie, g d y ż p o w o d u ją o n e tw o rz e n ie o b szaró w o w ysokiej k o n cen tracji nap rężeń , co z w ię k sz a ryzyko p ę k n ię c ia cem e n tu [32]. Jed n o cześn ie z aś d ąży się d o z w ię k sz e n ia o b szaru k o n tak tu m ięd zy trz p ie n ie m i cem e n tem lub kością.
J e d n ą z m eto d s to so w a n ą w ty m c e lu je s t w y tw a rz a n ie n a p o w ierzch n iach m etalo w y ch w arstw p o ro w a ty c h , np. sp o so b em p lazm o w e g o n a p y lan ia [1 0 0 ,1 2 1 ,1 2 3 ,1 3 7 ].
N ie m a je d n o z n a c z n e j o p in ii, czy w sk a z a n e je s t z w ię k sz e n ie d łu g o ści trz p ie n ia w celu p o d w y ż sz e n ia trw a ło śc i m o co w an ia . Istn ieje zg o d n o ść co do teg o , że z a k o tw ic zen ie dłu g ieg o trz p ie n ia m o ż e re d u k o w a ć n a p rę ż e n ia w k ości i cem e n cie w p ro k sy m aln y m obszarze, a p o p rz e z to p o w o d o w a ć o ste o p o ro z ę w tó rn ą [32] i zm n iejszy ć p o d p a rc ie d la p roksym alnej części k o lu m n y c em e n tu . P rzeciw n ie, k ró tk ie trz p ie n ie s p rz y ja ją p rz e k a z y w a n iu w ięk szeg o
o b ciąż en ia d o p ro k sy m aln ej c z e ic i k o ści udow ej i c e m e m u , c o je s t k o rz y s m . d la koSci, ale m o że w p ły w ać n a frag m en tację cem e n tu i zn iszczen ie trzp ien ia [16,32,3 /].
K iedy o b c ią ż o n a g ło w a e n d o p ro tezy w y k o n u je ruch o b ro to w y w p an ew ce, m am y do c z y n ie n ia z w y stę p o w a n ie m m o m e n tu siły tarcia. W zro st m o m en tu siły ta rc ia m o że w pływ ać n a u tratę stab iln o ści trzp ien ia, m asy cem e n to w ej i w efek cie n a o b lu z o w a n ie k o m p o n en tu u d o w eg o . P o d c z a s w y k o n y w a n ia ru ch u o b ro to w e g o o te n sam k ą t p rz e z u k ła d g ło w a - p a n e w k a w p rzy p ad k u m n iejszej g ło w y m o m e n t siły ta rc ia m ięd zy g ło w ą i p a n e w k ą je s t m n iejszy n iż w p rz y p a d k u w ięk szej g ło w y [32].
W ak tu a ln y m sta n ie z a g a d n ie n ia sy g n a liz o w a n e s ą cią g le p ro b le m y d o ty czą ce n ie p o w o d z e ń w lec z e n iu a llo p la s ty k ą [3 7 ,6 7 ,7 8 ,8 0 ,8 3 ,8 9 ,9 1 ,9 2 ,9 6 ,1 3 9 ,1 5 7 ,1 6 0 ,1 7 4 ]. G łó w n ą p rz y c z y n ą n ie p o w o d zeń je s t nie ro z w ią z a n y p ro b lem ad ap ta cji sztu czn eg o staw u b io d ro w eg o do b io lo g ic z n y c h w łaściw o ści k o ści [8 0 ,8 2 ,8 3 ,9 5 ,1 1 3 ,1 1 4 ,1 1 6 ,1 3 9 ,1 6 0 ,1 7 4 ]. P o za tym z re k o n s tru o w a n y z e sp ó ł tk a n k o w y p o d le g a starzen iu i zu ży ciu , co p ro w ad zi d o ponow nej d y sfu n k c ji [95]. W m ia rę u p ły w u c z a su o d zab ie g u z w ię k sz a się w ię c lic z b a p ow ikłań.
O b e jm u ją o n e z m ian y w m ied n icy , ja k re so rp c ja kości w o k ó ł cem e n tu , m ig ra c ja m asy cem e n to w ej i p an ew k i, o b lu z o w a n ie p an ew k i, p ęk n ięc ia panew ki i cem e n tu , zm ian y w części u d o w ej, ja k : d efo rm a c ja , o b lu zo w an ie , p ę k n ię c ie trz p ie n ia en d o p ro tezy , p ęk n ięc ie i frag m en tacja m asy c e m e n to w ej, zm n ie jsz e n ie lub z w ięk szen ie g ru b o ści k ory kostnej w ró żn y ch o b sz a ra c h w o k ó ł trzp ien ia, p ro w ad zące do p ę k n ię c ia k o ści udow ej [3 2 ,3 7 ,6 0 ,6 7 ,9 6 ,1 6 0 ,1 7 4 ].
W y m ie n io n e n ie p o w o d z e n ia s ą w y n ik iem , m .in . b ra k u o d p o w ie d n ie g o sp rzężen ia zw ro tn e g o p o szczeg ó ln y ch e le m e n tó w sztu czn eg o staw u z o rg an izm em człow ieka.
M o żliw o ść o sią g n ię c ia tak ieg o sp rz ę ż e n ia z w ro tn eg o zależy od sp e łn ie n ia czte rech p o d sta w o w y c h z a sa d im p la n ta c y jn y c h C h arn ley a , a m ian o w icie:
sto so w a n ia m a te ria łó w fiz jo lo g ic z n ie obo jętn y ch , zad o w a la ją c y c h k o n stru k c ji en d o p ro tez,
stab iln eg o o sa d z e n ia e n d o p ro tezy w k ości,
- p o p raw n ej te c h n ik i o p e racy jn ej [4 9 ,6 0 ,1 3 4 ,1 3 9 ,1 5 9 ].
S tab iln e o sa d z e n ie e n d o p ro tezy w k ości zale ży z aró w n o o d k o n stru k cji en d o p ro tezy , j a k i od zasto so w an ej tech n ik i o p eracy jn ej. W cem e n to w ej e n d o p ro te z o p la sty c e staw ó w cem e n t ch iru rg ic zn y j e s t b ard zo w ażn y m k o m p o n e n te m w ch o d zący m w sk ład k o nstrukcji en d o p ro tezy . C e m e n t, p o d o b n ie j a k p o z o sta łe k o m p o n en ty sztu c z n e g o staw u , p rzen o si o b c ią ż e n ia staty czn e i d y n a m ic z n e p o d c z a s a k ty w n o ści ru ch o w ej pacje n ta. Z atem , o d w łaściw o ści cem e n tu c h iru rg ic z n e g o , a ta k ż e od tech n ik i je g o im p lan tacji w o rg an izm ie c z ło w ie k a w d u ży m sto p n iu z a le ż ą sta b iln o ść i trw a ło ść sztu czn eg o staw u.
2.3. W pływ techniki operacyjnej na trw ałość cem entow ej endoprotezoplastyki
O b lu zo w an ie trz p ie n ia en d o p ro tezy je s t nadal je d n y m z w y stęp u jący ch p o w ik łań en d o p ro tezo p lasty k i. W lite ra tu rz e [3 2 ,1 7 4 ], dotyczącej sta b iln o śc i k o tw icze n ia en d o p ro tez p rz y u ży c iu c e m e n tu k o stn eg o , p rz e d sta w io n e s ą ró żn e m o d e le m e c h a n iz m u o b lu z o w a n ia trzp ien ia, u w z g lę d n ia ją c e z ap ad an ie się trz p ie n ia w o sło n ie cem e n to w ej, zap ad an ie się trz p ie n ia razem z o s ło n ą cem e n to w ą, o b ró t trz p ie n ia w o k ó ł osi znajdującej się w p ro k sy m a ln y m o b sz a rz e k o ści ud o w ej lub p o n iżej, o b lu z o w a n ie n a sk u te k zm ę c z e n ia w w a ru n k ach z g in a n ia trz p ie n ia szty w n o z a m o c o w a n e g o w części dy staln ej (rys. 2 .4). O statni z w y m ien io n y ch ro d z a jó w o b lu z o w a n ia n azy w an y je s t w literatu rze an g ielsk iej „b en d in g c a n tile v e r fa tig u e ” , co w sw o b o d n y m tłu m aczen iu m o ż n a z a p isa ć ja k o „zm ę czen io w e z g in a n ie w sp o rn ik o w e ” [32]. D lateg o ce le m z a sto so w a n ia o d p o w ied n iej te ch n ik i k o tw ic z e n ia en d o p ro te z y p o w in n o b y ć w y e lim in o w a n ie b ąd ź o g ran iczen ie o b lu zo w an ia . P rzy k ład o w o , w e n d o p ro te z ie C h a rn le y a m o ż liw o ść d o b reg o u p a k o w a n ia cem e n tu m ięd zy trzp ien iem i k o ś c ią k o ro w ą z a p o b ie g a z a p a d a n iu się trzp ien ia. W p rzy p ad k u p ro tezy M u llera cem e n t
sto so w an y je s t ty lk o ja k o w y p e łn ia c z w o b szarach , g d z ie nie w y stęp u je k o n tak t trzp ien ia z k o ścią. Z aró w n o trzp ien ie e n d o p ro tez ty p u press-fit, ja k i p okryte w a rstw ą p o ro w a tą m o g ą być tak że k o tw ic z o n e przy uży ciu cem e n tu (np. m odel H ed ley a i H u n d erfo rd a), w w y n ik u c z e g o u zy sk u je się siln e p o łącz en ie trzp ień -cem en t-k o ść. S zczeg ó ln ie tru d n y m p ro b lem em m o że być je d n a k u su n ięcie trz p ie n ia p o d czas zab ieg u realloplastyki [32,60]. J e d n ą z m etod zab ezp ieczen ia stab iln o ści trz p ie n ia en d o p ro tezy W e lle ra je s t z m o d y fik o w an a m eto d a sta b iln o -o d c ią ż e n io w a cem e n to w eg o k o tw icze n ia trzp ien ia [1 51,152], p o leg ająca na w zm o cn ie n iu k o tw icze n ia m e ch a n iczn eg o za p o m o c ą czterech czo p ó w z cem entu, u sy tu o w an y ch w o b szarze m ak sy m aln y ch o d d ziały w a ń na trzp ień en d o p ro tezy [136].
Ia Ib II HI IV
Rys. 2.4. Modele mechanizmu obluzowania trzpienia: la - z a p a d a n ie się trzpienia w osłonie cementowej; Ib - zapadanie się trzpienia wraz z osłoną cementową; II - o b r ó t trzpienia
wokół osi oznaczonej punktem; I I I - o b r ó t trzpienia wokół osi w proksymalnym obszarze (ozn. punktem ); I V —„zmęczeniowe zginanie wspornikowe ” [32]
Fig. 2.4. Mechanism o f mode o f loosening o f stem: Ia - subsidence o f stem in cement mantle;
lb - subsidence o f cement mantle and stem; II - medial stem pivot with center o f axis o f rotation o f stem illustrated by dot on stem; III - calcar p ivo t with axis o f rotation o f stem in proxim al area illustrated by dot on stem; IV -b e n d in g cantilever fatigue [32]
Z n aczn y w pływ na n ieb ez p ieczeń stw o o b lu z o w a n ia end o p ro tezy n a g ran icy m ięd zy fazo w ej trz p ie ń -c e m e n t lub k o ść-cem en t o ra z p ęk n ięc ia cem e n tu m a g ru b o ść w arstw y cem e n to w ej, p rzy leg ającej do trzp ien ia. Jak p o d a je literatu ra m ed y cz n a [49], w yniki o b serw acji rad io lo g iczn y ch p acje n tó w w długim o k resie czasu od zab ieg u w ykazały, że najb ard ziej stab iln e z a k o tw ic zen ie trzp ien ia end o p ro tezy w k o ści udow ej u zy sk u je się przy g ru b o ści o sło n y c em e n to w ej 2 d o 5 m m w o b szarze p ro k sy m aln y m kości.
O b lu zo w an ie i w k o n sek w en cji n iestab iln o ść ru ch o w a elem en tó w end o p ro tezy je s t efek tem zn isz c z e n ia w arstw y gran iczn ej en d o p ro teza (cem en t)-k o ść o strukturze u k ształto w an ej w p ro cesie b io lo g iczn eg o tw o rz e n ia tk an k i kostnej [115,134]. P roces n iszczen ia zw ią z a n y j e s t m .in . z w łaściw o ściam i fizy k o m ech an iczn y m i w szy stk ich k o m p o n en tó w sztu czn eg o staw u. W en d o p ro tezo p lasty ce cem entow ej w łaśn ie cem en t kostny je s t k o m p o n en tem w y w ierający m szczeg ó ln y w p ły w n a trw a ło ść p o łącz en ia p ro teza-cem en t
o raz cem en t-k o ść.
2.3.1. Dodatki w cemencie kostnym związane z techniką operacyjną
T rw a łe z a m o c o w a n ie e n d o p ro te z zależy o d d o k ła d n o śc i w y p e łn ie n ia całej w olnej p rzestrzen i p o m ię d z y p ro te z ą a tk a n k ą k o s tn ą i o d p en etracji c e m e n tu d o p rz e strz e n i istoty g ąb czastej (e n d o ste u m ) [134]. S p ełn ien ie teg o zad an ia j e s t z w ią z a n e z aró w n o z w łaściw o ściam i fizy czn y m i cem e n tu , ja k i sp o so b em je g o p rz y g o to w a n ia do im p lan tacji o raz te c h n ik ą im plantacji.
D o c e m e n tu k o stn eg o , b ęd ąceg o k o m p o z y c ją d w u sk ła d n ik o w ą (sp ro sz k o w a n y p o lim e r i p ły n n y m o n o m er), w p ro w a d z a n e s ą ró żn e d o d atk i n a p o szczeg ó ln y ch eta p a c h je g o p rz y g o to w a n ia o d p ro je k to w a n ia a ż d o im p lan tacji. D o d atk i w cem e n c ie m o ż n a p o d z ie lić na n a stę p u ją c e grupy:
d o d atk i w p ro w a d z a n e n a etap ie p ro je k to w a n ia sk ła d u c h e m ic z n e g o c e m e n tu k o stn eg o i je g o fab ry czn ej p ro d u k cji;
- d o d atk i w p ro w a d z a n e do cem e n tu n a eta p ie je g o p rz y g o to w a n ia i im p lan tacji - w y n ik a ją c e z p rzy jętej tech n ik i o p eracy jn ej;
z a n ie c z y sz c z e n ia w p ro w a d z a n e do cem e n tu w p ro c e sie o p eracy jn y m w sp o só b częścio w o z a le ż n y o d c h iru rg a;
d o d atk i m o d y fik u ją c e sk ła d c h e m ic z n y c e m e n tó w k o stn y ch - w p ro w a d z a n e n a eta p ie ich p rz y g o to w a n ia do im p lan tacji w c e lu p o p ra w y w ła śc iw o śc i fiz y czn y ch [64].
C e m e n t k o stn y ja k o k o m p o z y t p o lim ero w y , najcz ęściej n a o sn o w ie P M M A , zaw iera w sw o im sk ła d z ie ch em iczn y m d o d atk i sp ełn iające o k reślo n e fu n k cje w p ro cesie p o lim ery zacji lub m o d y fik u ją c e je g o w łaściw o ści. I ta k np., z a sto so w a n ie k o p o lim eru M M A z in n y m i m o n o m e ra m i w sk ład n ik u p ro szk o w y m cem e n tu m a n a c e lu z w ięk szen ie je g o p la sty c z n o śc i i u d arn o ści. D o p o lim eru d o d aje się in ic ja to r p o lim e ry z a c ji o raz n a p ełn iacze ty p u s o le lub tle n k i m etali, np. tle n e k ty ta n u i fo sfo ran w ap n ia, u m o żliw iające stero w an ie te m p e ra tu rą p o lim e ry z a c ji. D o c e m e n tó w k o stn y ch d o d a je się ta k ż e su b s ta n c je stan o w iące k o n tra st re n tg e n o w sk i [77,175].
W sk ład ciek łeg o sk ła d n ik a cem e n tu k o stn eg o w c h o d z ą , o p ró c z m o n o m eru , ró w n ież in n e zw iązk i c h e m ic z n e ty p u ak ty w ato ry i in h ib ito ry reak cji. P ro ceso w i p o lim ery zacji to w a rz y sz y w y z w a la n ie ciep ła.
S k ład n ik i cem e n tu k o stn eg o s ą stery lizo w a n e tlen k iem etylenu lub p ro m ien io w an iem jo n iz u ją c y m (p ro sz e k ) i p rz e z in filtrację (ciecz) [175]. D o d a te k m ały ch ilo ści „rad io - s u b s ta n c ji” zm ętn iającej m o ż e o b n iż a ć lepkość. L e p k o ść m a d u ż e z n a c z e n ie w p ro cesie o p eracy jn y m . C e m e n t m ieszan y rę c z n ie p rz y k le ja się d o ręk aw iczek . C e m e n t w sz c z e p ia n y z a p o m o c ą a p lik a to ra (p o d c iśn ien iem ) c h a rak tery zu je się b ard zo m a łą lep k o ścią, co je s t k o rzy stn e d la je g o z a m o c o w a n ia w k ości, ale istn ieje n ieb e z p ie c z e ń stw o p rz e n ik a n ia m o n o m eru do k rw io o b ieg u . P rzy sto so w an iu cem e n tu z ap lik a to ra b ard zo w a ż n a je s t szy b k o ść zm ian y lep k o ści w cza sie o ra z tem p eratu ra. P rzy w z ro śc ie te m p e ra tu ry o to c z e n ia z m n ie js z a się czas p o lim e ry z a c ji cem e n tu , co p o w o d u je, że n ależ y w k ró tszy m c zasie cem e n t im p lan to w ać [84].
W d ru g iej g ru p ie d o m ie sz e k w cem e n ta c h k o stn y ch sz c z e g ó ln ą ro lę o d g ry w a ją a n ty b io ty k i. K o m p o z y c je ta k ie sto su je się ru ty n o w o w z ab ie g ach rew izy jn y ch e n d o p ro tezo p lasty k . P o n ie w a ż sk u te c z n o ść o d d z ia ły w a n ia n a flo rę b a k te ry jn ą an ty b io ty k ó w w fab ry czn ie p ro d u k o w a n y c h c em e n tach je s t co ra z m n iejsza, c h iru rg p o d czas zab ieg u o p e ra c y jn e g o sam p rz y g o to w u je m ieszan k i cem e n t - an ty b io ty k . Jak o d o d atk i do cem en tu sto so w a n e s ą d o m ie sz k i an ty b io ty k ó w n o w y ch g e n e ra c ji o szero k im sp ek tru m d z ia ła n ia [2 1 ,6 1 ,1 5 6 ]. U ż y w a n e o d m ia n y c e m e n tu z d o d a tk ie m an ty b io ty k ó w m o g ą ró ż n ić się w ła śc iw o śc ia m i fizy czn y m i. W p racy [1 50] p rz e d sta w io n o w y n ik i b ad a ń w łaściw o ści m e c h a n ic z n y c h c e m e n tu C M W 1 z an ty b io ty k am i: b eta-lak tam o w y m , c e fa lo sp o ry n ą d ru g o rz ę d o w ą i c e fa lo sp o ry n ą trz e cio rzęd o w ą. S tw ierd zo n o , że d o d a n ie an ty b io ty k ó w
sp o w o d o w ało n iezn a czn e o b n iżen ie w y trzy m ało śc i na zg in an ie i śc isk a n ie o raz m od u łó w sp ręży sto ści cem en tu . C e m e n t k o stn y je s t w rażliw y n a w ilg o ć - a b so rb u je on w o d ę w p ro cesie p o d o b n y m d o d y fu zji. W ilg o tn y c e m e n t m a o k o ło 3 % n iż s z ą w y trzy m ało ść n iż su ch y [85].
D o d a n ie za te m 1 g an ty b io ty k u ro zp u szczo n eg o w 2 m l w o d y red esty lo w an ej m oże sp o w o d o w ać n iek o rzy stn y e fek t o b n iżen ia w y trzy m ało śc i cem entu. S ugeruje się zatem d o m ieszk o w an ie cem e n tu an ty b io ty k iem w postaci k rystalicznej [64].
S p o śró d zan ie czy szczeń w p ro w ad zan y ch do cem e n tu w czasie zab ie g u o p eracy jn eg o należy u w z g lę d n ić te, k tó re s ą częścio w o zale żn e od chiru rg a, a n a le ż ą d o n ich d o m ieszk a krw i i szczątk i tk an k i k o stn ej. J a k d o n o s z ą au to rzy p ra c [85,89], zan ie c z y sz c z e n ia krw i w c e m e n c ie p o w o d u ją o b n iżen ie je g o w łaściw o ści w y trzy m ało śc io w y ch , a w b adanych p ró b k ach w y s tę p u ją ro zw arstw ien ia. E fe k t te n m o że być w zn aczn y m sto p n iu w y e lim in o w an y , je ś li cem e n t b ęd zie im p lan to w an y o d p o w ied n io w cześn ie i pod ciśnieniem [85,89,135].
P o d e jm o w a n e s ą ró w n ież pró b y p o p raw y w łaściw o ści fizy czn y ch cem en tó w ak ry lo w y ch p o p rz e z w p ro w ad zen ie m o d y fik u jący ch d o m ie sz e k d o fabrycznie p rz y g o to w an y ch p ro p o rcji sk ład n ik ó w [20 ,9 5 ,1 3 5 ,1 6 5 ].
P rzy o m a w ia n iu d o d atk ó w w p ro w ad zan y ch do cem e n tu n a eta p ie je g o p rzy g o to w an ia n ależ y p o d k re ślić ro lę sp o so b u je g o m ieszan ia. D o k ład n e w y m ieszan ie sk ład n ik ó w m a w pływ n a ró w n o m ie rn e ro zp ro w ad zen ie cząstek d o m ieszek w osn o w ie, co rzu tu je isto tn ie na w łaściw o ści fizyczne cem entu. P o d czas m ieszan ia ręcznego cem en tu m o żn a w p ro w ad zić zn aczn e ilości p o w ietrza, czego efek tem je s t je g o p o ro w ato ść. Pory te, ja k ró w n ież pory p o w stałe na sk u tek o d p aro w an ia w ew n ątrz m asy p ew nych ilości m o n o m eru [175], m o g ą o d d ziały w ać j a k k o n cen trato ry nap rężeń , ob n iżając o d p o rn o ść n a p ęk a n ie cem e n tu [28].
W p racy [175] au to rzy p o d ają, ż e w iro w an ie cem en tu k o stn eg o p rzed w p ro w ad zen iem do kości zm n ie jsz a je g o p o ro w ato ść i z w ię k sz a w y trzy m ało ść n a zg in an ie o 2 4 % , a w y trz y m a ło ść z m ę c z e n io w ą a ż o 136% .
2.4. W arunki użytkow ania cem entów w chirurgii kostnej
B io p o lim ery sto so w a n e w m ed y cy n ie p o d d a w a n e s ą b ad an io m po d o b n y m ja k inne tw o rz y w a sztu czn e. B ad an ia ta k ie p ro w ad zo n e s ą ja k o lab o rato ry jn e, p rzed k lin iczn e i k liniczne. B ad an ia fizyczne i ch em iczn e d e te rm in u ją w stęp n ie p rzy d atn o ść tw o rzy w a do im plantacji do śro d o w isk a b io lo g iczn eg o . G łó w n ie sp ro w a d z a ją się do p o m iaru w łaściw ości m ech an iczn y ch , odpo rn o ści na zm ęc zen ie o raz d ziałan ie śro d o w isk a b io lo g iczn eg o . W y b ó r rodzaju i w aru n k ó w b adań zw iązan y je s t z p rzezn aczen iem fu n k cjo n aln y m w y ro b u [95].
A n a liz u ją c w aru n k i u ż y tk o w a n ia k o m p o zy tó w p o lim ero w y ch p rz ezn aczo n y ch do m o co w an ia e n d o p ro tez staw ó w , szczeg ó ln ie b io d ro w y ch , n ależ y u w z g lę d n ić rozkład o b ciąż eń w ro zp atry w an y m staw ie, w k tó ry m d an y k o m p o zy t p o lim ero w y (c e m e n t k o stny) stan o w i e le m e n t sp ajający p ro tezę z k o ś c ią [26].
S taw b io d ro w y n ależ y d o b io m ech an izm ó w , którym p rzy p isu je się trzy sto p n ie sw o b o d y (trz y o b ro ty b e z u w z g lę d n ie n ia o d k ształceń sp ręży sty ch ) przy przen o szo n y m złożonym stan ie o b ciążen ia. Stan o bciążeń i sto p n ie sw obody w a ru n k u ją trudności przy p ro jek to w an iu cech geo m etry czn y ch i m ateriało w y ch sto so w an eg o im plantu [41]. W celu o k reślen ia n ajisto tn iejszy ch w y m ag ań staw ian y ch sztu czn y m staw o m b io d ro w y m niezb ęd n e je s t z asto so w an ie m eto d b ad ań teo rety czn y ch i ek sp ery m en taln y ch . P o n iew aż przep ro w ad zan ie ek sp ery m en tó w n a czło w ie k u je s t p ro cesem tru d n y m , d łu g o trw ały m i ze w zg lęd ó w ety cz n y ch n ależ y j e o g ran iczać, p o d staw o w e b ad an ia p rzep ro w ad za się na m o d elach fizy czn y ch i n u m ery czn y ch [33,4 2 ,1 1 0 ,1 4 6 ]. M o d e le pow in n y by ć b u d o w an e na p o d sta w ie z a sa d p o d o b ie ń stw a i o d p o w iad ać rzeczy w istem u układow i pod w zg lęd em je g o
