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Mechanische In-vitro-Materialprüfung von modifizierten, bioaktivierten Knochenzementen auf der Basis von Polymethylmethacrylat

Mechanic in-vitro fatigue-testing of modified bioactivated bone cements based on polymethylmethacrylate

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-81170
  • Das Hauptproblem des künstlichen Gelenkersatzes stellt die aseptische Prothesenlockerung dar. Hierbei handelt es sich um ein multifaktoriell bedingtes Geschehen, das auf ein gestörtes Zusammenspiel von biologischen und mechanischen Faktoren zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf modifizierte, bioaktivierte Knochenzemente bezüglich ihrer Verbundfestigkeit mit Edelstahl und ihrer Hydrolysestabilität untersucht. Ein gemeinsamer Bestandteil aller fünf Modifikationen stellt Hydroxyethylmethacrylat-Phosphat dar. Die VerbundfestigkeitDas Hauptproblem des künstlichen Gelenkersatzes stellt die aseptische Prothesenlockerung dar. Hierbei handelt es sich um ein multifaktoriell bedingtes Geschehen, das auf ein gestörtes Zusammenspiel von biologischen und mechanischen Faktoren zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf modifizierte, bioaktivierte Knochenzemente bezüglich ihrer Verbundfestigkeit mit Edelstahl und ihrer Hydrolysestabilität untersucht. Ein gemeinsamer Bestandteil aller fünf Modifikationen stellt Hydroxyethylmethacrylat-Phosphat dar. Die Verbundfestigkeit der Zemente wurde anhand unterschiedlicher Anwendungs- bzw Metallvorbehandlungsvoraussetzungen im axialen Zugtest vor und nach künstlicher Alterung ermittelt. Unabhängig von der Vorbehandlung bzw. Anwendungsmodifikation zeigte der ausschließlich mit HEMA-P modifizierte Zement und der Referenzzement annähernd gleiche Zugfestigkeitswerte während die Zementmodifikation mit HEMA-P und zusätzlich Natriumcarbonat und Calciumchlorid deutlich niedrigere Zugfestigkeiten erreichte. Diese Modifikation konnte zudem, bis auf die Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und silanisiertem Monomer, dem künstlichen Alterungsprozess nicht standhalten, was die Hydrolysestabilität dieser Modifikation in Frage stellt. Die höchsten Zugfestigkeitswerte nach dem Alterungsprozess konnten, unabhängig von der Zementmodifikation, bei der Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und einem mit Silanhaftvermittler angereicherten Monomer festgestellt werden. Die Zemente wurden auf ihre Druckfestigkeit und im vereinfachten dynamischen Hüftprüfstandversuch im flüssigen Milieu getestet. Die Tatsache, dass sich bei allen Zementmodifikationen relativ wenig Spalten am Zement-Metall-Interface nachweisen ließen, spricht für eine gesteigerte Hydrolysebeständigkeit unter dynamischer Belastung. Die ermittelten Druckfestigkeiten liegen im Bereich von 83,85 MPa für PM 10, 89,66 MPa für PM 11 und 82 MPa für SPM 10 was den Anforderungen an Knochenzemente gerecht wird. Diese sollten gemäß ISO 5833 eine Druckfestigkeit von über 70 MPa aufweisen. Um eine detaillierte Aussage über die mechanischen Eigenschaften dieser Zementmodifikationen treffen zu können bedarf es weiterer Materialprüfungenshow moreshow less
  • The main problem in artificial joint replacement is the aseptic prosthesis loosening. The causes are multifactorially conditioned since both biological and mechanical factors are playing a major role. To generate bioactive PMMA surfaces directly at the site of implantation an amphiphilic molecule phosphorylated 2‐hydroxyethylmethacrylate (HEMA‐P) had already been added to commercial bone cements.One bone cement modification had also been enriched with calcium and carbonate salts. The first part of this study was to compare two modifiedThe main problem in artificial joint replacement is the aseptic prosthesis loosening. The causes are multifactorially conditioned since both biological and mechanical factors are playing a major role. To generate bioactive PMMA surfaces directly at the site of implantation an amphiphilic molecule phosphorylated 2‐hydroxyethylmethacrylate (HEMA‐P) had already been added to commercial bone cements.One bone cement modification had also been enriched with calcium and carbonate salts. The first part of this study was to compare two modified bio‐activated bone cements concerning their tensile strength and their hydrolytic stability to standard commercial bone cement. The Bone Cements were tested regarding different usage and pre‐treatment of the metal used before and after 15 days of storage at 70 degrees Celsius in PBS. Only the bone cement modified with HEMA‐P reached about the same results as the common bone cement. Whereas the modification with additional calcium and carbonate salts showed not only a significantly lower tensile strength but also hydrolytic instability compared to the common bone cement. The best results after the artificial aging process could be proven after silicate coating of the metal and the enrichment of the monomer with a silane coupling agent. The second part of the study was designed to proof that modified bone cements meet the common ISO standards regarding their compressive and fatigue strengths and their hydrolytic stability. All the modified samples met the common ISO standard figures for compressive strength of more than 70 MPa. Furthermore the fact that all modifications have shown little signs of fatigue and minor cracks at the cement‐metal interface in testing indicates the conclusion that the hydrolytic stability is given. However, to describe the entire range of mechanical characteristics, more experiments would have to be carried out.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rebecca Fabiola Natali Heim
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-81170
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Polikliniken für Zahn-, Mund- und Kieferkrankheiten
Date of final exam:2013/06/03
Language:German
Year of Completion:2012
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Aseptische Lockerung; Druckfestigkeit; Zugfestigkeit; Knochenzement; Hüftgelenkprothese; Dauerschwingfestigkeit
Tag:aseptic prosthesis loosening; bone cement; tensile strength; total hip arthroplasty
Release Date:2013/11/13
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Uwe Gbureck
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitung