预热对髋关节置换植入水泥界面强度的影响

P. Paczocha和J. E. Indacochea

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发布:2005年9月

主题

摘要

关键字

介绍

人工髋关节固定

骨水泥特性和种植体植入

实验的程序

骨标本制备

剪切压缩测试

结果与讨论

水泥的物理特征

没有预热的植入物标本的表征

种植体预热对界面剪切强度的影响

结论

工具书类

详细联系方式

摘要

研究继续e世界范围内关于提高hip效率和完整性的方法更换程序。目前正根据程序的每个组成部分本身的优点及其与其配合部分相互作用的功能进行调查。对于水泥程序，所研究的三个主要项目是骨骼，用于更换原始髋关节的合金，以及用于锚定部件的骨水泥。目前的研究主要集中在骨水泥内种植体的插入过程，特别是为了加快手术过程。T他有机玻璃（甲基丙烯酸）本研究使用骨水泥和钴 - 铬金属合金。按照真空水泥制备的标准混合程序，金属嵌件在插入水泥套之前被预热到不同的温度。通过压缩剪切试验和在失败后与种植体接触的水泥表面的显微镜分析来评估样品。结果显示，随着金属种植体预热温度的升高，水泥/种植体界面的抗剪强度呈下降趋势。在水泥套中发现的一些空隙是由于金属嵌件预热造成的;它们的体积和形状都发生了变化。随着空隙的体积和大小增加，界面强度降低。

关键字

全髋关节置换术，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，金属嵌件，植入物-骨水泥界面，剪切强度

介绍

全髋关节置换术(THR)是一种重建人类髋关节的手术。髋关节位于骨盆和股骨上部的连接处。球窝式关节允许在髋部进行较大范围的旋转运动;股骨的顶部末端是一个球状的头，可以插入一个杯状的腔体，称为髋臼．人工关节有各种形状、大小和品牌。医生根据病人的体重、体型、健康状况、骨骼质量、活动水平等来选择合适的治疗方案。THR植入物的设计模仿了它所替代的天然髋关节。它有三个部分，如图1所示：

1.柄与股骨吻合，提供稳定性

2.一个球代替了股骨的球形头部，并且

3.杯子取代了磨损的臀部插座。

球杆和球杆经常组合成一个整体。在手术中，医生通过一个切口暴露关节腔。将股骨和髋臼的受损骨和软骨取出并清洗。更健康的组织不会受到损伤。在大多数情况下，股骨头和股骨窝被替换为人工部分。一个新的金属杯牢固地固定在插座中，塑料球放在杯内。假体柄放置在股骨的中空中心。

全髋关节置换术（THR）有两种主要类型，其不同之处在于固定主要部件的方法不同。一般情况下，年龄小于50岁的患者将配备压合阀杆。该柄有一层直径为10µm的羟基磷灰石球涂层，沉积在柄和髋臼杯的表面。这种类型的系统不使用任何骨水泥，因为理论认为年轻患者的羟基磷灰石涂层中会有一定程度的骨再生或生长，提供将假体固定在适当位置的粘合剂。另一方面，有些病人需要人工髋关节置换术;年龄超过50岁的患者，因为他们的身体无法产生固定茎干所需的骨头。图2显示了上面描述的两种类型的茎。

人工髋关节固定

早期的全髋关节假体设计使用螺栓和螺母将股骨假体固定在股骨上，使用金属钉固定髋臼假体，金属对金属承载面为[1]。由于杯状支架与股骨头之间的金属摩擦释放出的磨损颗粒会引起大量的组织反应，使股骨柄内固定不稳定，因此放弃了这种固定和承载面技术。yabo214孔周围的应力集中也有可能导致固定失败。

经过几年的深入研究和Otto Röhm的工作，骨水泥在20世纪30年代诞生了[2]。两家德国公司，哈瑙的德固赛公司和韦尔海姆的库尔泽公司，制定了一项化学生产聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥的方案，该水泥是一种丙烯酸聚合物。自20世纪50年代末J. Charnley引入骨水泥固定人工髋关节以来，该手术已在世界范围内被采用[2-6]。全髋关节置换术(THA)的初步成功已经扩展到全膝关节置换术(TKA)，但成功不仅受到与骨水泥有关的问题的影响，还受到与假体相关的问题的影响[7-11]。骨科假体植入的固有问题之一是在细胞和器官水平固定和维持设备与宿主组织之间稳定的界面。

假体松动尤其重要。组织与植入物物理特性的不匹配、植入物的生物相容性、植入物材料物理特性的恶化、手术技术的问题、植入物设计的问题等诸多因素亚博网站下载种植体、患者选择、术后护理与(晚期)松动有关[14-16]。

骨水泥特性和种植体植入

THR的成功在很大程度上取决于所用骨水泥的质量。常用的PMMA水泥主要由聚(甲基丙烯酸甲酯)粉和甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体液体制成，如表1所示。对苯二酚的添加是为了防止由于暴露在光照或高温下而导致单体过早聚合。N，加入N-二甲基-P-甲苯胺，以促进或加速聚合化合物的固化。大多数商用水泥是由聚合引发剂(活化剂)、过氧化苯甲酰和不透光物质(硫酸钡或二氧化锆)以及聚甲基丙烯酸甲酯本身的低聚物制备的。聚甲基丙烯酸甲酯是由甲基丙烯酸甲酯聚合得到的，这是一种放热反应，持续到所有单体消失，生成长链分子。单体液体将聚合物粉末颗粒表面浸湿并聚合连接，形成糊状物质注入所制备的髓内腔。

表1。骨水泥成分及其功能．

聚合固化期间聚合度明显增加，即分子量增加；然而，固化后的分子量分布没有显著变化。研究表明，骨水泥性能受内因子(单体与粉末的化学组成、粉末颗粒特性、粉末聚合度、液粉比)和外因子(混合环境:温度和湿度、混合技术:用刮刀和真空的搅拌速度和次数，固化环境:温度、压力和接触面)。控制丙烯酸骨水泥性能的最重要因素是养护或凝固过程中孔隙度的发展。较大的孔隙不利于材料的力学性能，产生孔隙的主要原因是混合过程中产生的单体蒸汽和空气。孔隙率可以通过暴露在真空中以及通过降低聚合过程中的温升来降低[17]。

由于骨水泥的化学成分，可以通过预热股骨干来缩短骨水泥的固化时间。这减少了手术时间和[18]位置意外丢失的潜在风险。Borzacchiello等人[19]的研究结果表明，与在室温下插入的水泥柄相比，将水泥柄加热到44ºC时，水泥植入界面的孔隙率降低。

种植体插入骨水泥时，空气会被困在骨水泥界面;所含的空气量随种植体插入的速度而变化。吸入骨水泥的气穴可能会形成空隙，降低骨水泥/植入物界面的强度，从而导致过早失效。真空混合技术已被发现可以显著降低水泥孔隙率，从而提高强度，并降低THR重新评价的机会。在一些研究中已经报道了水泥真空混合使水泥的疲劳寿命增加了9倍[21]。相比之下，手动混合单体和聚合物需要将两种成分折叠在一起，这就引入了空气。然后这些气穴降低水泥，形成起裂位置。研究表明，在种植体制造过程中使用注射成型来消除水泥中的孔隙，可以减少水泥开裂和水泥与金属嵌体[22]之间的脱胶。对单调载荷和疲劳载荷下PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)骨水泥试样的断口形貌进行了分析甲基丙烯酸甲酯)展现经典的乳沟步”河流模式，“河型”沿裂纹[22]的扩展方向向下游流动。

用于提高THR强度的其他机械工艺利用将异物注入水泥中。一项研究[21]观察了在PMMA骨水泥基质中嵌入一个连续的不锈钢线圈，围绕着全髋关节置换术的远端。构建了一个三维有限元模型，描述了在远端水泥内嵌的线圈的两个半旋转。理想情况下，线圈应减少径向，并在很大程度上，箍应力。作为对比，还建立了单骨水泥的控制模型。研究结果表明，对于径向应力，纯水泥模型在水泥-干界面处的压应力约为加筋模型的4.5倍。受拉箍应力也比钢筋模型高4.5倍。这表明钢丝圈加固可以有效地减少骨水泥套的径向应力，更重要的是，减少环向应力，环向应力可能导致骨水泥和种植体作为一个整体的失败。

目前的研究重点是种植体插入骨水泥的过程，尤其是在不影响种植体强度的情况下加速手术过程。本部分研究中考虑的方法是对植入物进行预热，以减轻金属插入物的引入，加快水泥的聚合和固化，以减少THR的时间。

实验的程序

的制备骨标本

在本研究中使用由白色海绵状芯区域和硬外壳组成的全尺寸聚合物人工股骨（图3）。将海绵材料从骨中取出，为骨水泥检查提供腔体。股骨在小粗隆下约76.2 mm(3英寸)被切开(图4)。从小粗隆的下部向下(远端)，每15.9 mm(0.625英寸)对骨进行切片，以获得用于制作完整种植体测试标本的骨部分。即将骨水泥置入髓管，金属种植体与骨水泥配合;此外，还有一部分植入物坐在其中一个面上，该面上旨在促进机器接触以施加负荷。由于该区域是在水泥和植入物之间发生大多数裂缝的位置，因此利用了以下较小的脱蛋白的部分。图5显示了种植体标本制作的不同阶段。将平面加工成180º间距，以确保压缩试验期间试样的牢固抓地力。钴铬合金棒与指定的表面光洁度植入。棒的直径为9.53±0.03 mm(0.375±0.001英寸)，长度为25.4 mm(1.0英寸)。

本研究中使用的水泥为Palacos R，其组成如表2所示。批次含有40g粉末和20毫升。用手动泵和真空混合器一次混合液体单体。真空压力保持在20±2 torr，按照制造商的建议。当混合物混合完全、彻底，没有可见的气穴或未混合的聚合物粉末时，真空被释放。后来，人们用一种定制形状的抹刀，将移到外缘的水泥带回搅拌碗的中间。在此期间，通过剧烈搅拌或折叠水泥，要非常小心，以确保最终混合的水泥中没有气穴。

表2:本研究中使用的水泥成分。

一旦搅拌碗的盖子被拆除，水泥可以在有限的时间内完成插入过程，总共允许3分钟处理和注射水泥到骨标本的髓腔。第一批水泥共制作了4个样品，第二批水泥共制作了3个样品。

制作一致的试样最重要的步骤是快速准确地将骨水泥放入骨腔，并将骨干插入骨水泥复合体。在将骨水泥放入空腔之前，将构成部分完成的测试样本的种植体和骨样本放入如图6所示的插入夹具中。一旦水泥填充的骨头和预热植入物在适当的固定装置中，将阳部以恒定速率推入水泥中。图7为提交压缩试验的最终试件。

剪切压缩测试

因为本研究的目的是评估金属种植体预热温度对骨水泥/金属种植体界面强度的影响。将多个植入体加热到三种不同的温度:50°C、60°C和70°C，然后将其插入骨水泥中。有一组试样是在没有对金属插入件进行预热的情况下制作的，以作为一个基准来比较对金属插入件进行预热的试样。

剪切试验在Instron 5500系列拉伸/压缩试验机上进行。使用数据采集设备收集数据。app亚博体育在种植体标本休息的地方制作用于压缩剪切试验的夹具;在施加载荷的过程中，当金属插入物与水泥分离时，它通过夹具的孔自由移动，如图8所示。所有试样均采用恒定的加载速率。在机械测试之后，我们在显微镜下对样品进行了评估，特别是在与金属种植体接触的水泥套界面上。

结果与讨论

水泥的物理特征

在制备用于机械评估的所有样品植入物后，在与金属植入物附近的界面附近的颜色外观方面评价水泥的状况。这样做是为了确定预热是否会影响养护过程中发生的化学反应和影响水泥的条件。然而，观察到在界面附近或远离界面之间的水泥地幔纹理的水泥变色或变化。在测试前，成品样品的表面看不到气泡或孔隙。因此，根据裸眼肉眼观察，所有样品在制作后外观相似。

没有预热的植入物标本的表征

首先对这组样品进行表征，以建立一个基准，从而确定金属插入物预热对水泥/金属插入物界面强度的影响。针对金属嵌件的每个温度制备了两批水泥；第一批制备了四个试样，第二批制备了三个试样。上一节指出，最后一个样品是在水泥制造商推荐的三分钟时间内生产的。这一限制代替了水泥养护几乎在混合成分后不久就开始的事实。该组种植体试件剪切压缩试验结果如图9所示。曲线1-4对应于相同的水泥批次，并且曲线5-7是第二水泥批量的一部分。数字表示种植体标本制作的顺序。没有记录样品制作的时间。

图9显示样品1具有比样品2更高的最大剪切应力，随后的样品具有甚至更低的值。这两个样品制作的不同之处在于从水泥混合结束到种植体测试样品实际组装的时间。也就是说，在将金属插入样品2之前的额外时间内，水泥可能会发生额外的聚合和固化，这将影响金属棒滑过地幔时的空气阻力。首先样品水泥将具有较低的粘度，因此在通过地幔的插入件的滑动期间可以形成的任何大量气泡或空腔将通过更流体的水泥质量更容易地填充。

在水泥/插入界面进行压缩测试后，检查种植体样品的外套层，如图10所示。鉴于在水泥地幔中观察到的精细加工标记，显微照片显示了水泥和金属插入物之间存在的紧密接触。与样品1（图10A）相比，样品2,3和4的空气泡沫很少，并且在后面制备。图10b对应于这批的最后一个样品，在那里发现了更多的夹带空气，但也有一些气泡更大和变形。当在制造过程中，通过插入件的拖曳效果产生后来样品中的气泡很可能产生;由于聚合物更难以升温，因此通过拖动产生的气泡无法逸出，并且水泥没有流动性填充这种腔。这些结果与文献报道的水泥中所含的空气，降低了水泥/插入物的界面强度，特别是大孔隙。这是预期的，因为金属嵌件和水泥之间的接触面积将减少。

在图9中，曲线5、6、7分别对应第二批样品，它们的顺序也反映了它们的制作顺序。剪切强度随生产时间的延迟而降低。与金属插入件接触的水泥表面的分析再次显示与批次的第一样品相比捕获最后一个样品的较大量的空气。在检验压缩试验结果时，另一个观察结果是，从第二次水泥批制备的一组试件的抗剪强度值低于第一次批制备的试件;例如，试样1的最大抗剪强度为8.3 MPa，而试样5的最大抗剪强度为6.7 MPa。这些结果表明,尽管实验过程中使用的水泥制备相同,可能是微妙的变化之间的混合环境两批可能偶有发生,如速度和数量的周期用于打水泥混合,或者小真空压力的波动。

种植体预热对界面剪切强度的影响

预热植入体的试验结果与前一节的研究结果相同，随着样品生产延迟时间的增加，剪切强度有下降的趋势。图11为金属插入件预热到50ºC的试样结果;样品1-4为同一批次的一部分，样品5-7为相同条件下的第二批水泥的一部分。这种下降的证据可以在与金属嵌件界面处的水泥状况中找到。图12显示，与50ºC插件预热的样品1相比，样品4中的气体截留量和气泡更大；如文献所述和上文所述，大孔隙的存在对水泥/金属界面强度有不利影响。在这组样品中，混合程序似乎也会对水泥/金属界面的强度产生影响；然而，与第二批样品相比，第一批样品制造的样品之间的剪切强度差异并不像在没有预热金属嵌件的情况下生产的植入物那样大。在60℃和70℃预热的种植体样品中也得到了类似的结果，即有一个每批产品的界面强度随生产时间而降低。图13总结了金属插入件在70ºC下预热后试样的压缩测试结果。

对比图9、图11、图13中金属嵌段预热温度对最大抗剪强度值的影响，总结对比结果图14。这张图是基于每组的最大抗剪强度样本。结果表明，随着温度的升高，水泥/金属界面抗剪强度降低。这一信息表明，温度的升高改变了固化过程，从而加速了聚合过程。此外，较高的温度会增加由放热反应导致的单体蒸汽的演化而引起的孔隙率，以及在混合过程中截留的空气。在文献综述表明,在某些情况下,由于热聚合过程中生成的,建议使用一些方法来降低温度的混合,因为这倾向于降低孔隙度的水平的混合,因此增加的力量植入[17]。在夹带和水泥的其他结构特征方面分析了测试样品的界面表面;与其他先前的样品组相比，60和70ºC植入物标本存在更多的孔隙率。图15显示了在70ºC预热时，水泥与金属插入物接触的特性。这些结果与水泥混合料的温度越高，所含气体水平越高的效果相一致。在我们的研究中，我们发现插入物的预热似乎加快了骨水泥的固化过程，从而在某种程度上缩短了手术时间，然而，这一过程是不实际的，因为它降低了骨水泥/金属界面的强度。该结果缩小了Borzacchiello等人[19]的研究成果，他们发现类似水泥的孔隙度为与在室温下插入的阀杆相比，当阀杆被加热到44ºC时降低了。在70ºC预热试样中，发现最后一个试样在与金属嵌件界面处的水泥中出现裂纹(图15b);这意味着水泥在其固化过程中走得更远，并且在金属插入物进入套膜时没有塑性变形。

结论

1.预热金属假体对全髋关节置换术的可靠性有负面影响。

2.随着植入物预热温度的升高，水泥/金属植入物界面的强度降低。

3.水泥搅拌结束到种植体制作的时间会影响界面的强度。

4.随着预热温度的升高，水泥/种植体界面处孔隙率增大。70℃的预热对水泥的损伤最大。

5.混合水泥的处理技术影响种植体的抗剪强度。这是由同一条件下两批不同样品的强度差异确定的。

工具书类

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详细联系方式

p . Paczocha

伊利诺伊大学芝加哥分校土木与材料工程系亚博网站下载

芝加哥，IL 60607

美国

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伊利诺伊大学芝加哥分校土木与材料工程系亚博网站下载

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美国

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论文发表在《材料与材料加工技术进展》，6[2](2004)142-151。亚博网站下载