预热对人工髋关节置换术种植体-骨水泥界面强度的影响

P. Paczocha和J. E. Indacochea

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发布时间：2005年9月

主题

抽象的

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

剪切抗压测试

结果与讨论

水泥的物理特征

未预热种植体标本的特性

种植体预热对界面剪切强度的影响

结论

参考文献

详细联系方式

抽象的

研究继续E.在全球范围内提高臀部效率和完整性的方法更换程序。该程序的每个组成部分都在自己的优点上调查，以及与其交配部分的互动的函数。对于骨水泥手术，研究的三个主要项目是骨骼、用于替代原始髋关节的合金和用于固定组件的骨水泥。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.他聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）本研究使用骨水泥和钴铬合金。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。随着孔洞体积和尺寸的增大，界面强度降低。

关键字

总髋关节置换，PMMA水泥，金属插入，植入水泥界面，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。髋关节发生在骨盆和上股骨上的连接处。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。人工关节存在各种形状，尺寸和品牌。医生根据患者的体重，大小，健康，骨骼质量，活动水平等选择合适的。THR植入物的设计模仿了它所替代的天然髋关节。它由三部分组成，如图1所示:

1。柄与股骨吻合，提供稳定性

2。球取代了股骨的球形头部，

3.用一个杯子代替磨损的髋臼。

杆和球通常组合以形成单个单元。在手术期间，医生通过切口暴露关节腔。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。新的金属杯牢固地固定到插座中，塑料球放置在杯子内。将植入物杆放入股骨的中空中心。

总髋关节替换（THR）有两种主要类型，仅通过用于锚定主要组件的方法而异。通常，50岁以上的患者将配备齐全的茎。该茎具有羟基磷灰石球的涂层，其直径为10μm，并沉积在杆和髋臼杯的表面上。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，存在患者需要粘合髋关节的患者;50名患者，因为他们的身体无法产生将茎保持在适当位置所需的骨骼。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。欧洲杯猜球平台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Degussa和Wehrheim的Kulzer，建立了一种用于化学生产的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥的化学品，其是丙烯酸聚合物。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欧洲杯足球竞彩种植体、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的成功主要取决于所使用的骨水泥的质量。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。加入N, N-二甲基对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。PMMA通过聚合甲基丙烯酸甲酯的聚合而获得，这是一种持续的放热反应，直到所有单体消失生产长链分子。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。骨水泥组件及其功能。

固化过程中的聚合显然增加了聚合程度，即分子量增加;然而，在固化后，分子量分布不会显着变化。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。通过暴露于真空和通过降低聚合期间的温度升高，可以减少孔隙率[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。这导致手术时间减少以及意外失去位置的潜在风险[18]。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。

在植入物插入水泥期间，空气可以捕获在植入水泥界面处;已经发现空气夹带的空气可以随着插入植入物的速度而变化[20]。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显着降低水泥孔隙率，这导致强度提高，并降低了Thr重新评估的机会。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。然后将这些气袋降低水泥并产生裂缝引发的位置。注射成型在制造过程中的使用研究，以消除水泥中的孔，显示在水泥和金属插入物之间的水泥裂化和剥离中的降低[22]。单调和疲劳负载骨水泥样品的断裂表面分析PMMA（Poly甲基丙烯酸甲酯)显示经典的裂解步骤“河纹图案“在单调上装载的所有样品上，在裂缝的传播方向上下游的”河流模式“[22]。

其他机械过程用于提高THR的强度利用异物的植入水泥。一项研究[21]看着PMMA骨水泥基质内的连续不锈钢线圈，周围围绕总髋关节置换术的远端尖端。构造了描绘两个嵌入在远端尖端的水泥内嵌入的线圈的两个和半旋转的三维有限元模型。理想情况下，线圈应减少径向，主要是箍应力。作为比较手段，还建立了仅骨水泥的控制模型。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。对照样品的拉伸箍应力也比加强模型更高的4.5倍。这表明线圈增强件可有效地减少水泥地幔的径向应力，更重要的是，箍应力可能导致水泥和植入物的整体失效[21]。

本研究专注于植入物进入水泥的插入过程，特别是在不损害植入物的不损害外科手术的目的。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。股骨在较小的脱叶蛋白下方约76.2毫米（3英寸）（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。也就是说，将水泥引入髓型管中，金属植入物配合到骨骼和水泥中;另外，一部分植入物位于其中一个面部上方，旨在促进机器接触以施加负载。小粗隆以下的部分被利用，因为这一区域是骨水泥和植入物之间发生骨折最多的区域。图5显示了种植体标本制作的不同阶段。平面为180º，分开180º，以确保在压缩试验期间确保试样的牢固握把。钴 - 铬合金棒与植入物规定的表面饰面一起使用。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是Palacos r，其组合物在表2中描述。批次用手动泵和真空搅拌器将40克粉末和20毫升液体单体一次混合。真空压力保持在20±2 torr，按照制造商的建议。将混合物完全且彻底地混合后，没有可见空气袋或未混合的聚合物粉末，释放真空。具有碗底部轮廓的自定义形状刮刀后来稍后用来使已经移动到外部边缘的水泥回到混合碗的中间。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组成。

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。

制备一致试验标本的最重要步骤是水泥在骨骼的空腔中快速和准确地将茎插入水泥骨复合物中。在将水泥放入腔中之前，将部分成品试样的植入物和骨骼样品置于图6所示的插入夹具中。一旦骨水泥填充的骨和预热的种植体在适当的固定装置中，男性部分将以恒定的速度推进到骨水泥中。图7为提交压缩试验的最终试件。

剪切抗压测试

由于该研究的目的是评估金属植入物预热温度对水泥/金属植入物界面强度的影响。将许多植入物加热至三种不同的温度：50℃，60℃和70℃，然后插入水泥。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。

剪切测试在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。2020欧洲杯下注官网为压缩剪切试验制造夹具，其中植入物标本休息;在施加负载期间以及当金属插入物分离时，它通过固定装置的孔自由地移动，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

在准备好所有用于力学评估的种植体样品后，根据其与金属种植体界面附近的颜色外观来评估骨水泥的状况。这是为了建立预热可能影响固化过程中发生的化学反应并影响水泥条件的化学反应。然而，在靠近界面和远离界面之间没有观察到水泥变色或水泥套纹理的变化。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。

未预热种植体标本的特性

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。为金属插入件的每个温度制备了两批水泥;从第一批次和第二个标本中产生四个标本。目前据表明，在水泥制造商推荐的三分钟时间限制内，在最后一节中产生了最后一项样本。这种限制因而使水泥的固化几乎在混合成分后几乎开始。该组种植体样本的剪切压缩测试结果如图9所示。曲线1-4对应同一水泥批次，曲线5-7是第二水泥批次的一部分。数字表示种植体标本制作的顺序。没有时间记录标本制造。

从图9可以看出，样本1的最大剪应力比样本2大，后续样本的最大剪应力更小。这两个样品的制造之间的差异是从水泥混合结束到植入试样的实际组装的时间转移到植入试样的实际组装。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。在第一水泥样品的粘度较低，因此，在插入物通过地幔滑动过程中可能形成的大量气泡或空腔，将更容易被更多的流体水泥块填充。

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。由于在水泥套中观察到精细的机械加工痕迹，显微照片显示水泥与金属嵌体之间存在密切接触。与之后生产的样品2、3、4相比，样品1的气泡少且小(图10a)。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。后面的样品中的气泡很可能是由于在制造过程中插入物穿过地幔时产生的阻力效应而产生的;随着固化时间的延长，聚合物变得更硬，由阻力产生的气泡无法逸出，水泥也没有流动性来填充这些空腔。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，因为金属插入件和水泥之间的接触区域将减少。

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。同样，剪切强度随着生产时间的延迟而下降。分析与金属插入物接触的水泥表面，再次显示最后一个样品比第一个样品的空气滞留量更大。在检查压缩试验结果时进行的另一个观察结果是，由第二水泥批料制造的试样组具有比第一批批的剪切强度值低;例如，对于样品5的6.7MPa，例如样品1的最大剪切强度为8.3MPa。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显示样品4中的较大的气体夹带和较大的气泡与50ºC插入预热的样品1相比;如文学文献所报道并所述上述，大孔的存在具有对水泥/金属界面强度的不利影响。在该组样品中，还似乎混合过程可能对水泥/金属界面的强度产生影响;然而，与第二批次的对应物相比，由第一批次制造的样品之间的剪切强度的差异不如由于没有预热金属插入物的植入物而发现的那样大。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]。根据水泥的夹气特性和其他结构特性对试样的界面进行分析;与前一组样品相比，60ºC和70ºC种植体样品孔隙率明显增加。图15显示了与金属插入件接触的水泥的特性，用于70℃的预热。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。预热金属植入物对总髋关节置换的声音产生负面影响。

2。随着植入物的预热温度增加，水泥/金属植入界面的强度受到损害。

3.混合水泥的结束和植入物的制造之间的时间将影响界面的强度。

4.在水泥/植入界面开发的孔隙率加剧了预热温度的增加。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。

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伊利诺伊大学芝加哥分校土木与材料工程系欧洲杯足球竞彩

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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。欧洲杯足球竞彩