Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Журнал «Травма» Том 22, №3, 2021

Вернуться к номеру

Експериментальне дослідження механічних властивостей кісткових цементів Palacos

Авторы: Жук П.М.(1), Маципура М.М.(1), Мовчанюк В.О.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2), Мазур В.П.(3), Псюк С.С.(3)
(1) — Вінницький національний медичний університет ім. М.І. Пирогова, м. Вінниця, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
(3) — КНП «Вінницька міська клінічна лікарня швидкої медичної допомоги», м. Вінниця, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Справочник специалиста

Версия для печати


Резюме

Актуальність. На сьогодні кісткові цементи набули широкого використання в ортопедії. Спектр призначень кісткових цементів дуже великий і потребує різних якостей залежно від мети. Тому дослідники змушені проводити власні дослідження для вивчення механічних властивостей кісткових цементів. Мета: визначити в експерименті значення модуля пружності й межі міцності кісткових цементів Palacos для подальшого використання в математичних моделях остеосинтезу й ендопротезування. Матеріали та методи. Досліджували зразки двох марок цементу — Palacos R і Palacos fast. З кожного типу цементу були виготовлені зразки діаметром 5 мм і довжиною 10 мм. Дослідження проводили через 2 години і через 2 доби після полімеризації. На кожному етапі випробували на стиск по 10 зразків цементу кожного типу. Результати. Через 2 години полімеризації статистично значущу перевагу величини межі міцності мали зразки з Palacos fast — 105,77 ± 3,19 МПа над зразками з Palacos R — 87,24 ± 3,70 МПа. Статистично значуще більшим виявився модуль пружності зразків з Palacos fast — 2942,50 ± 99,67 МПа порівняно зі зразками з Palacos R — 82542,40 ± 65,55 МПа. Через 2 доби після виготовлення міцнісні характеристики кісткових цементів змінились у бік збільшення. Так, межа міцності зразків з Palacos fast визначилась як 116,39 ± 2,85 МПа, що статистично значуще більше, ніж у зразків з Palacos R, у яких цей показник становив 95,58 ± 4,53 МПа. Аналогічні тенденції виявилися характерними й для показників модуля пружності, який становив 3048,93 ± 108,70 МПа для зразків з Palacos fast і 2642,90 ± 22,93 МПа для зразків з Palacos R. Величина модуля пружності зразків з обох марок кісткового цементу має статистично значущу тенденцію до збільшення. У середньому величина модуля пружності для зразків із цементу Palacos R збільшилася на 4,0 ± 2,6 %, зразків із цементу Palacos fast — на 3,5 ± 1,4 %. Висновки. Кістковий цемент Palacos R після закінчення процесу полімеризації має модуль пружності 2542,40 ± 65,55 МПа і межу міцності 87,24 ± ± 3,70 МПа, що статистично значуще нижче (р = 0,001) за показники модуля пружності 2942,50 ± 99,67 МПа і межі міцності 105,77 ± 3,19 МПа зразків із цементу Palacos fast. Величини показників межі міцності й модуля пружності зразків кісткових цементів обох досліджених марок мають статистично значущу (р = 0,001) тенденцію до збільшення протягом 2 діб, у середньому на 9,6 ± 10,1 % і 3,5 ± 4,0 % відповідно. Отримані значення величин модуля пружності й межі міцності кісткових цементів Palacos R і Palacos fast можуть бути використані при математичному моделюванні різних варіантів ортопластики.

Background. Currently, bone cements are widely used in orthopedics. The range of prescriptions for bone cement use is very large, and requires different qualities depending on the purpose. Therefore, researchers are forced to conduct their own invetigations to study the mechanical properties of bone cements. The purpose was to determine in the experiment the value of an elastic modulus and ultimate strength of Palacos bone cements for further use in mathematical models of osteosynthesis and arthroplasty. Materials and methods. Samples of two brands of cement, Palacos R and Palacos fast, were examined. Samples with a diameter of 5 mm and a length of 10 mm were made from each type of cement. The study was carried out 2 hours and 2 days after polymerization. At each stage, 10 cement samples of each type were tested for compression. Results. After 2 hours of polymerization, the Palacos fast samples had a statistically significant advantage in terms of the tensile strength, which was 105.77 ± 3.19 MPa, over the Palacos R — 87.24 ± 3.70 MPa. The higher elastic modulus for Palacos fast samples — 2,942.50 ± 99.67 MPa compared to Palacos R — 82,542.40 ± 65.55 MPa turned out to be statistically significant. Two days after fabrication, the strength characteristics of bone cements changed upward. Thus, the ultimate strength of Palacos fast samples was determined within 116.39 ± 2.85 MPa, which is statistically significant higher than for Palacos R samples for which this indicator was within 95.58 ± 4.53 MPa. Similar tendencies were characteristic of an elastic modulus, which amounted to 3,048.93 ± 108.70 MPa for Palacos fast and 2,642.90 ± 22.93 MPa — for Palacos R samples. The value of the elastic modulus for both brands of bone cement has a statistically significant tendency to increase. On average, an elastic modulus for Palacos R cement increased by 4.0 ± 2.6 %, for Palacos fast samples — by 3.5 ± 1.4 %. Conclusions. Palacos R bone cement by the end of the polymerization process has an elastic modulus of 2,542.40 ± 65.55 MPa and a tensile strength of 87.24 ± 3.70 MPa, which is statistically significant lower (p = 0.001) than thereof Palacos fast cement (2,942.50 ± 99.67 MPa and 105.77 ± 3.19 MPa, respectively). The indicators of the tensile strength and elastic modulus of the samples of bone cement of both studied brands have a statistically significant (p = 0.001) tendency to increase within 2 days, on average by 9.6 ± 10.1 % and 3.5 ± 4.0 %, respectively. The obtained elastic modulus and ultimate strength of Palacos R and Palacos fast bone cements can be used for mathematical modeling of various types of arthroplasty.


Ключевые слова

кістковий цемент; модуль пружності; навантаження на стиск

bone cement; elastic modulus; compressive strength

Вступ

Сьогодні кісткові цементи знайшли широке використання в ортопедії. Спектр призначень кісткових цементів дуже великий і потребує різних якостей залежно від мети. Так, для ендопротезування використовують в основному цементи в чистому вигляді [1, 2], для профілактики інфекційних ускладнень — цементи з вмістом антибіотиків [3], до складу цементів, призначених для черезшкірної вертебропластики, додають трикальційфосфат і гідроксилапатит [4, 5]. Одним з ефективних інструментів при розробці нових методів остеопластики є математичне моделювання методом кінцевих елементів, для використання якого необхідно знати механічні властивості матеріалів, такі як модуль пружності й межі міцності [6, 7]. На жаль, фірми — виробники кісткових цементів не надають такої інформації. Крім того, на ринок регулярно виходять нові марки цементів і нові виробники даного виду продукції. Тому дослідники змушені проводити власні дослідження для вивчення механічних властивостей кісткових цементів [2–5].
Мета: визначити в експерименті значення модуля пружності й межі міцності кісткових цементів Palacos для подальшого використання в математичних моделях остеосинтезу й ендопротезування.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» були проведені експериментальні дослідження міцнісних характеристик кісткових цементів марки Palacos.
Досліджували зразки двох марок цементу — Palacos R і Palacos fast. З кожного типу цементу були виготовлені зразки діаметром 5 мм і довжиною 10 мм. Для виготовлення зразків використовували інсулінові шприці об’ємом 1 см3. Підготовку цементу виконували за стандартною методикою, наведеною в інструкції виробника. Дослідження проводили через 2 години (час повної полімеризації) і через 2 доби після полімеризації. На кожному етапі випробувань використовували по 10 зразків цементу кожного типу.
Усі зразки випробували під впливом осьового стискаючого навантаження. Схема навантаження наведена на рис. 1.
Стискаюче навантаження F поступово збільшували до повного руйнування зразка. При збільшенні навантаження з кроком 100 Н фіксували величину деформації зразка ∆l. За результатами випробувань розраховували величину модуля пружності й величини межі міцності (гранично допустимі напруги) [8].
Величину навантаження вимірювали за допомогою тензодинамометричного датчика SBA-100L, і результати фіксували пристроєм реєстрації даних CAS типу CI-2001A. Величину деформації зразків вимірювали за допомогою мікрометричного індикатора часового типу.
Експериментальні дані оброблені статистично, розраховували середнє значення (М), стандартну похибку (SD), мінімальне й максимальне значення вибірки. Оцінку проводили за однофакторним дискримінантним аналізом (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана. Порівняння між термінами експерименту здійснювали за парним Т-тестом. Обробку проводили в пакеті прикладних програм IBM Statistics SPSS 20.0 [9].

Результати та їх обговорення

У результаті проведеного дослідження нами були отримані дані про величини модуля пружності й межі міцності кісткових цементів марки Palacos у різні терміни після виготовлення. Дані порівняльного аналізу механічних властивостей кісткових цементів через 2 години після виготовлення наведені в табл. 1.
Аналіз результатів експериментальних досліджень зразків кісткового цементу на стиск безпосередньо після закінчення терміну полімеризації дозволив визначити статистично значущу перевагу (на рівні р = 0,001) величини межі міцності зразків з Palacos fast, що становила 105,77 ± 3,19 МПа, над зразками з Palacos R — 87,24 ± 3,70 МПа. Також статистично значуще (р = 0,001) більшим виявився модуль пружності зразків з Palacos fast — 2942,50 ± ± 99,67 МПа, ніж зразків з Palacos R — 82542,40 ± 65,55 МПа.
У табл. 2 наведені дані про механічні властивості зразків кісткових цементів через 2 доби після виготовлення.
Як бачимо, через 2 доби після виготовлення міцнісні характеристики кісткових цементів дещо змінились у бік збільшення. Так, величина межі міцності зразків з Palacos fast визначилась у межах 116,39 ± 2,85 МПа, що статистично значуще більше (р = 0,001), ніж у зразків з Palacos R, у яких цей показник визначався в межах 95,58 ± 4,53 МПа. Аналогічні тенденції виявилися характерними й для показників модуля пружності, який становив 3048,93 ± 108,70 МПа для зразків з Palacos fast і 2642,90 ± 22,93 МПа для зразків з Palacos R, що статистично значуще відрізняється на рівні р = 0,001.
Також був проведений порівняльний аналіз змін міцнісних характеристик цементів марки Palacos із перебігом часу. У табл. 3 наведені дані про зміни величин межі міцності зразків кісткових цементів.
Як бачимо, міцність обох марок цементу статистично значуще зросла (р = 0,001), при цьому величина межі міцності зразків з Palacos R збільшилась у середньому на 9,6 ± 1,8 %, а зразків з Palacos fast — на 10,1 ± ± 1,2 % відповідно.
Наочне уявлення про різницю показників межі міцності для обох марок цементу в різні терміни після виготовлення можна отримати за допомогою діаграми, що наведена на рис. 2.
Результати порівняльного аналізу величин модуля пружності зразків кісткових цементів у різні терміни після виготовлення наведені в табл. 4.
Як вдалося визначити в результаті дослідження, величина модуля пружності зразків з обох марок кісткового цементу має статистично значущу (р = 0,001) тенденцію до збільшення. У середньому величина модуля пружності для зразків із цементу Palacos R збільшилася на 4,0 ± 2,6 %, із цементу Palacos fast — на 3,5 ± 1,4 %.
Діаграма, наведена на рис. 3, дозволяє наочно уявити різницю величин модуля пружності досліджених зразків кісткових цементів у різні терміни після виготовлення.

Висновки

1. Кістковий цемент Palacos R після закінчення процесу полімеризації має модуль пружності 2542,40 ± ± 65,55 МПа і межу міцності 87,24 ± 3,70 МПа, що статистично значуще нижче (р = 0,001) за показники модуля пружності (2942,50 ± 99,67 МПа) і межі міцності (105,77 ± 3,19 МПа) зразків із цементу Palacos fast.
2. Величини показників межі міцності й модуля пружності зразків кісткових цементів обох досліджених марок мають статистично значущу (р = 0,001) тенденцію до збільшення протягом 2 діб, у середньому на 9,6 ± 10,1 % і 3,5 ± 4,0 % відповідно.
3. Отримані значення величин модуля пружності й межі міцності кісткових цементів Palacos R і Palacos fast можуть бути використані при математичному моделюванні різних варіантів ортопластики.
Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів і власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.
 
Отримано/Received 27.04.2021
Рецензовано/Revised 15.05.2021
Прийнято до друку/Accepted 28.05.2021

Список литературы

1. Лоскутов О.А. Прочностные и жесткостные характеристики костного цемента Osteobond®, полимеризованного в условиях операционной. Ортопедия, травматология и протезирование. 2008. № 1. С. 65-69.
2. Лоскутов О.А., Васильченко Е.В., Амбражей М.Ю. Жесткостные и прочностные характеристики различных марок костного цемента на основе полиметилметакрилата и их изменение со временем. Травма. 2014. Т. 15. № 1. С. 114-117.
3. Дігтяр А.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. Експериментальне дослідження міцності кісткового цементу залежно від вмісту антибіотикa. Травма. 2019. 20(1). 88-92. DOI: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158674.
4. Продан А.И., Грунтовский Г.Х., Попов А.И., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д., Суббота И.А. Биомеханическое обоснование оптимального состава композитного материала для чрескожной вертебропластики. Хирургия позвоночника. 2006. 2. 68-74. DOI: 10.14531/ss2006.2.68-74.
5. Карпинский М.Ю., Суббота И.А., Карпинская Е.Д., Попов А.И. Экспериментально-теоретическое обоснование состава композитного материала для заполнения костных дефектов. Медицина и ... 2008. 3(21).
6. Танькут О.В., Філіпенко В.А., Мезенцев В.О., Арутюнян З.А., Тохтамишев М.О., Карпінський М.Ю., Яресько О.В. Математичне моделювання ендопротезування колінного суглоба зі заповненням дефекту кісток імплантатами з різних матеріалів. Ортопедия, травматология и протезирование. 2020. 1. 66-77. DOI: 10.15674/0030-59872020166-77.
7. Вирва О.Є., Головіна Я.О., Карпінський М.Ю., Яресько О.В., Малик Р.В. Дослідження напружено-деформованого стану в системі «імплантат — кістка» на моделі алокомпозитного ендопротеза проксимального відділу стегнової кістки. Травма. 2020. 21(1). 38-48. DOI: 10.22141/1608-1706.1.21.2020.197797.
8. ISO 604:2002. Пластмассы. Определение свойств при сжатии.
9. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2011. 400 с.

Вернуться к номеру