PMMA Kemik Çimentosuna Kırılma Tokluğu Testi Nasıl Uygulanır?

 

Kemik çimentosu, artroplasti ameliyatı sırasında implant ile kemik arasındaki boşluğu doldurarak dizler, kalçalar, omuzlar ve dirseklerdeki eklemleri sabitler. Bu yazıda, polimetil metakrilat (PMMA) kemik çimentosunun kırılma tokluğunu ölçmenin metodolojisini tartışıyoruz.

PMMA, kemik çimentosunun en yaygın şeklidir ve birkaç farklı çeşidi olabilir. Kimyasal formülasyonlar ayarlanabilir veya çimento, mekanik özellikleri değiştirebilen antibiyotik maddelerle emprenye edilebilir. Kemik çimentosunun en önemli işlevleri, yükü implanttan kemiğe aktarmak ve ikisi arasındaki şoku emmektir. Bu nedenle, başarısızlık modlarını ve kırılmaya karşı direnci anlamak, performansı değerlendirmede kritik öneme sahiptir.

Kemik çimentoları genellikle karıştırılmış bir toz ve bir sıvıdan oluşan iki parçalı bir epoksi olarak sağlanır. Karıştırıldıktan sonra, kemik çimentosu akan bir sıvıdan boşluğa kalıplanabilen hamur benzeri bir malzemeye dönüşür. Polimerizasyon işlemi sırasında bir ekzotermik reaksiyon meydana gelir ve sertleşmiş bir siman halinde sertleşerek implantı yerinde sabitler.

Kemik çimentosu özelliklerini değerlendirmek için kullanılabilecek birkaç test yöntemi vardır:

 

ASTM F451 - Akrilik Kemik Çimentosu için Standart Şartname

ASTM F2118 - Akrilik kemik siman malzemelerinin sabit genlikli kuvvet kontrollü yorulma testi için test yöntemi.

ISO 5833 - Cerrahi implantlar-Akrilik rezin simanlar

Bununla birlikte bu makale, ASTM E399 ve ASTM D5045 metodolojilerini kullanarak PMMA kemik çimentosunun plane-strain kırılma tokluk testini özellikle ana hatlarıyla açıklayacaktır.

 

PMMA Kemik Çimentosunun Kırılma Tokluğunun Değerlendirilmesi

ASTM E399 ve ASTM D5045 standartlarının amacı, metalik veya plastik malzemelerin kırılma tokluğunu (K1C) belirlemektir. Kırılma tokluğu testi (fracture toughness testing), ağırlıklı olarak doğrusal elastik, düzlemsel gerinim koşulları altında gerçekleştirilir. Kullanılan tipik numune geometrileri, kompakt gerilim (CT) ve tek kenarlı çentik bükmedir (SENB).

Burada açıklanan örnekte, ASTM E399 ve ASTM D5045'te açıklanan denklemler, numune tasarımı ve test yöntemleri kullanılarak tıbbi sınıf PMMA kemik çimentosu üzerinde test yapılmıştır.

 

Numune Tasarımında Dikkat Edilmesi Gerekenler

Çatlak ucundaki düzlem gerinim koşullarının karşılanmasını sağlamak için uygun numune boyutunun ve geometrinin seçilmesi önemlidir. Geçerli bir kırılma tokluğu değerinin elde edilmesini sağlamak için keskin bir başlangıç ​​çentiğine ihtiyaç vardır.

Uygun numune geometrilerini seçerken; mevcut malzeme miktarı, malzeme maliyeti, çatlağın yönelimi ve bir test numunesi üretme zorluğu dahil olmak üzere çeşitli faktörler dikkate alınır. Çoğu kemik çimentosu daha küçük miktarlarda ve farklı geometrilerde kullanıldığından, bir numuneyi standartlaştırmaya çalışmak zordur çünkü ortak boyutlar sınırlı fizyolojik ilişkiye sahiptir. Kemik çimentosu test numunesi, üreticinin önerdiği teknik kullanılarak sıvı ve tozun uygun oranlarda karıştırılması ve SENB geometrisini kopyalamak için yapılmış özel bir kalıba dökülmesiyle oluşturulur. Bu geometri daha az malzeme kullanır ve malzemenin nihai numune boyutuna kadar işlenmesini kolaylaştırır.

 

Numune İmalatı Nasıl Yapılır?

Bir numune oluşturmak için kullanılan özel kalıp, yeterli sertlik sağlamak için gıda sınıfı silikon ve delrin malzemesi ile üretilir. Kalıp biraz daha büyüktür ve test numunesi oluşup sertleştikten sonra makineyle işlemeye izin vermek için entegre bıçak kenarları içerir. Bu durum, düzensiz yüzeylerin giderilmesine ve çimento kürlenirken meydana gelen herhangi bir bozulmaya izin verir.

 

Test Metodunun Uygulanması

Bu testin birincil odak noktası, PMMA kemik çimentosunu düzlem gerilme koşullarına tabi tutmaktır. Düzlem gerilme koşullarını test etmek amacıyla, numunenin istenen konumunda bir çatlak başlatmak için keskin bir çentik kullanılır. Çatlak, tipik olarak bir yorulma ön çatlağı (ASTM E399) veya numuneye bastırılan bir tıraş bıçağı olarak adlandırılan ve keskin bir çentik ve çatlak oluşturan (ASTM D5045) yorulma yükü ile oluşturulabilir.

Çimento kırılgan davranışa sahipse, yorulma ön çatlağı en iyi sonucu verir. Bir SENB numunesi, yorulma ön çatlağını oluşturmak ve kırılma tokluğu testini gerçekleştirmek için ASTM E399 spesifikasyonunda belirtilen 3 noktalı bir bükme fikstürüne yüklenir.

Çimento sünek davranış sergilerse, tercih edilen yöntem ASTM D5045 şartnamesinde açıklanan yöntemdir. Bu yöntem, yorulma ön-çatlama yöntemine benzer bir çatlak oluşturmak için bir tıraş bıçağının çentiğe bastırılmasını gerektirir. Yorulma ön çatlatma veya tıraş bıçağı yöntemi kullanılırken çentiğin düz olması ve numuneye 0,050 inçten daha az uzanmaması çok önemlidir. Bir çatlak oluştuktan sonra, nüfuz edici boyalar, numunenin kırılma yüzeyindeki çatlağı ve kırılma tokluğu testini ayırt etmeye yardımcı olur.

Kırılma tokluğu testi, yorulma ön çatlama yöntemiyle aynı fikstürü kullanır. PMMA kemik çimentosu için ASTM E399'da belirtilen yükleme hızı çok hızlıdır ve tutarsız sonuçlara neden olur. ASTM D5045'te açıklanan değiştirilmiş bir yer değiştirme oranı malzeme için uygundur ve daha tutarlı sonuçlar sağlar. Her malzeme koşulu için üç veya daha fazla test yapılması önerilir.

Numuneler yüklendikten sonra, bir yüke karşı yükleme noktası yer değiştirme eğrisi oluşturulur. Veri çıkışı, K1C değerini belirleyen birden çok hesaplamayla yönlendirilir.

 

Raporlama ve Analiz

ASTM E399 ve ASTM D5045, kırılgan malzemeler için ideal test metodolojileridir. İlk doğrusal kısımdan %95 sapma (veya sekant) ile üç kuvvet yer değiştirme modu mevcuttur. Bu şekilde, %95 sapmanın test verileriyle kesiştiği nokta, test geçerliliğini belirlemek için önemlidir (bir K1C olarak nitelendirilir - numune boyutunun düzlem gerinim koşulları için yeterli olduğunu nitelendirir). Bu %95 sapma kesişimiyle maksimum kuvvet arasındaki fark arttıkça, testin geçersiz olma olasılığı da artar. ASTM E399, bu fark çok büyükse alternatif bir test yönteminin kullanılmasına izin verir.

Test geçerliliğini etkileyen diğer faktörler; çatlak öncesi uzunluk, çatlak öncesi düzlük ve yükleme hızıdır. Bunlardan herhangi biri geçersizse, son kırılma tokluğu değeri geçersiz olarak rapor edilmelidir. Öte yandan, geçersiz bir kırılma tokluğu değeri, verilerin kullanılamaz olduğu anlamına gelmez. Geçersiz değer, geçerli bir kırılma tokluğu değeri ile aynı uygulamalarda kullanılabilir, ancak geçerli bir kırılma tokluğu değeri gerekiyorsa, geçersizliğe neden olan faktörleri araştırmak için ek testlere ihtiyaç vardır. Test parametrelerinde veya numune boyutunda değişiklik yapmak, geçerli bir kırılma tokluğu değerini garanti etmeyecektir.

Genel test çıktısı (K1C), kemik çimentosunun özelliklerini anlamak için çok önemli olan bir kusur varlığında malzemelerin kırılmaya direnme kabiliyetini ölçer.

 

PMMA kemik çimentosu kırılma tokluğu testi uygulaması hakkında merak ettikleriniz ya da aklınıza takılan diğer soru işaretleri için hemen Malzeme Test ile iletişime geçin.

 

PMMA Kemik Çimentosu Kırılma Tokluğu Testi (PDF)