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编号:10253198
骨水泥的真空搅拌实验研究
http://www.100md.com 《中国矫形外科杂志》 2000年第9期
     作者:米川 E.Fritsch

    单位:米川(北京医科大学第一医院骨科, 北京 100034);E.Fritsch(德国萨尔州大学骨科医院)

    关键词:骨水泥;机械性能;真空搅拌

    中国矫形外科杂志000913

    摘 要 目的:比较骨水泥经过真空搅拌和普通搅拌的机械性能变化。方法:将一种国产骨水泥分成普通搅拌和真空搅拌2组分别制成标本,按照国际标准组织(ISO)的标准测定抗静态压力强度,静态抗弯曲强度和弹性模量,按照德国工业标准(DIN)检测抗疲劳强度。结果:应用真空搅拌处理,抗弯曲强度和抗疲劳强度分别提高了13%和15%,骨水泥的静态压力耐受强度稍降低,弹性模量稍提高,二者在统计学上无变化。结论:采用真空搅拌骨水泥的方法,提高了国产骨水泥的抗疲劳强度及静态抗弯曲强度,在临床应用有较大的积极意义。
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    中图分类号 R68 文献标识码 A

    文章编号 1005-8478(2000)09-0875-04

    Experiment al Research of Bone Cement with Vacuum Mixing

    Mi Chuan

    (Department of Orthopedics,The First Hospital of Beijing Medical University,Beijing 100034.)

    E.Fritsch.

    (Orthopaedische Universitaets Klinik der Saarland,66421 Homburg/Saar,Germany.)
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    Abstract Objective:Compare of the mechanical properties of the bone cement with vacuum mixing and normal mixing.Method:Two groups of specimens of a Chinese bone cement were manufactured:in the first group the bone cement was hand-mixed as usual,in the second group the bone cement was prepared by mixing under partial vacuum.The tests of static compression strength,static bending strength,elastic modules were performed according to the standard of International Standard Organization (ISO),and fatigue strength was tested according to the criterion of German Industrial Standard(GIS).Result:When using vacuum mixing technique,fatigue strength and bending strength were significantly improved by 15% and 13% respectively.With vacuum mixing neither the static compression strength of this bone cement nor the E-modules of bending improved statistically significant.Conclusion:The values of fatigue strength and bending strength of the bone cement were improved by vacuum mixing.The method of vacuum mixing has an active significance in clinic.
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    Key words Bone cement Mechanical properties Vacuum mixing

    为减少聚甲基丙烯酸甲脂(以下简称骨水泥)人工关节的术后松动发生率,真空搅拌骨水泥近年来被一些学者认为是实用和有效的办法[2,3,7~10]。本实验旨在了解国产骨水泥经真空搅拌后的机械性能变化,全部实验在德国萨尔州大学骨科生物力学实验室完成。

    1 材料和方法

    骨水泥为天津市合成材料工业研究所生产,生产日期1996年1月17日。所有的标本在正常室温和湿度下制作(23°±2°,50%±10%)。

    1.1 普通搅拌标本的制作 压力耐受标本为圆柱形,高12,直径6。将水泥单体和粉末倒入塑料容器中,用塑料棒以1~2Hz的频率搅拌1min,逆行注入一10ml注射器中,再注入模具中,加盖,15min后取出凝固的标本。弯曲力耐受标本:将已搅拌好的骨水泥(方法同前)倒入一90×75×3.3的模具中,加盖,拧紧螺丝,多余的骨水泥从盖上的4个减压孔中溢出,15min后取出凝固的标本,用电动板锯锯成75×10×3.3的标本。疲劳耐受标本:按照德国工业标准DIN 53 442,标本制成长90,宽30,中央缩窄宽20,厚5的带切迹长方形。将搅拌好的骨水泥注入相应模具中,15min后取出凝固的标本,锉掉毛边。
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    1.2 真空搅拌的标本制作 真空搅拌采用Draenert系统[3],包括真空泵,特制真空搅拌器。开启真空泵后,容器内的真空经测定为0.15Bar。骨水泥的液体和粉末倒入容器中,加胶皮盖,开启真空泵,用搅拌棒3~4Hz快速搅拌15s,1~2Hz搅拌15s,静置15s,然后将其倒入所要制作的相应模具中,以下步骤同普通搅拌标本的制作。t87601.gif (11607 bytes)

    图1 普通搅拌(上排)和真空搅拌(下排)的骨水泥标本比较

    1.3 所有制作的标本经透光检查,含大气泡者(大于2)弃之。压力耐受标本和疲劳耐受标本每组各12个,弯曲力耐受标本每组各10个。所有标本在正常室温、湿度下避光保存至少3周,使其充分聚合然后再进行测试。
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    静态压力耐受试验:静态压力耐受强度试验在“万用材料检测机”(德国Zwick公司)上进行,锻压速度为20/min,在标本被压变形的瞬间,机器锻压自动停止,记录压力。

    静态弯曲耐受试验:静态弯曲耐受强度试验同样在此“万用材料检测机”上进行。按照国际标准组织ISO规定,采用四点弯曲试验。支撑点的距离为60,传导压力两点的距离为20,锻压速度为5/min至标本折断记录压力,通过公式计算出弯曲耐受强度。

    弹性模量:在静态弯曲耐受试验过程中,检测机自动记录标本在折断时的向下弯曲距离,通过公式得出该标本的弹性模量。

    疲劳耐受试验:标本在3个疲劳试验机(德国Shenk公司)上被4点固定,通过调整机器的偏心轴,标本被设置承受不同的弯曲负荷,通过在标本一端的下方应用不同弹性系数的弹簧,使标本在试验中倾斜小于5°,避免由于过大的冲力影响实验结果。所有的标本被分别承受不同的弯曲负荷,当标本折断时,机器自动停止并自动记录该标本所承受的周期。试验时,所有的标本被装在一含有10ml林格氏液的高弹性橡胶套内。疲劳耐受试验至标本折断或超过2 000万周期标本仍未折断结束,2 000万周期是根据人工髋关节术后病人日常生活10年的平均步伐数所设定[5]。由于低试验频率需要太长的时间,我们的试验频率设定为25Hz。据文献报道,该频率不会因温度升高干扰试验结果[2,3,5],我们在试验中也未发现温度升高的情况。标本承受的负荷以公式计算得出。为确定骨水泥标本的疲劳耐受强度,我们采用“Woehler曲线”,这是一个含有许多两个相对应数值的坐标,横坐标为对数刻度,表示承受的周期,单位为百万。纵坐标表示标本所承受的弯曲负荷。按照德国工业标准DIN所规定的,将各个相对应的数值的点连成曲线,以两千万周期为界限,得出骨水泥的疲劳强度。
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    2 结 果

    此骨水泥的静态耐受压力强度普通搅拌平均为87.8MPa,真空搅拌平均为85.3MPa。2组数值经统计学“U检验”处理,无显著性差异。普通搅拌的静态弯曲耐受强度平均为62MPa,真空搅拌平均为70MPa。弹性模量经普通搅拌平均为3 199MPa,真空搅拌为3 255MPa。静态弯曲耐受强度的2组结果经统计学“U检验”处理有显著性差异(P<0.05);弹性模量的2组结果无显著性差异(P=0.8)。通过Woehler曲线得出,该骨水泥经普通搅拌的疲劳耐受强度为4.6MPa,经真空搅拌的疲劳耐受强度为5.3MPa,后者高出前者15%,经统计学处理2组数值有显著性差异(P<0.05)(图2)。

    3 讨 论

    骨水泥自五十年代末在临床开始应用,30多年来在全髋关节置换及人工膝关节置换手术中广泛应用,随着术后假体非感染性松动(主要术后远期合并症)病例的不断增加,许多医生开始了对其多方面的研究。目前认为影响骨水泥在体内的机械强度而导致关节松动的因素有3个,一是骨水泥自身的机械强度,二是骨水泥和人体的生物相容性,三是术中的骨水泥应用技术。其中第一点目前被认为是最重要的[8],直接影响人工关节术后的假体—骨水泥、骨水泥—骨的界面和骨水泥本身的强度。在如何提高骨水泥自身机械性质方面,众多的作者着眼于通过改变骨水泥的搅拌方法,减少其疏松度(含空气量)来达到此目的,其中包括振荡搅拌;搅拌后离心处理;搅拌后加压;真空搅拌,也有很多作者通过在骨水泥中添加金属纤维,碳纤维或石墨纤维等[2~8]
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    根据文献报道,我们发现真空搅拌被认为是较有前途的方法,而且容易在手术室推广使用。绝大部分作者认为可以提高骨水泥的机械性能[2,3,4,8,9]

    本实验国产骨水泥的静态压力耐受强度处在众多作者所得出的结果之间,高于国际标准组织ISO规定的大于70MPa的标准[1]。真空搅拌不能将压力耐受强度提高。从表1可以看出国产骨水泥和Hansen的结果比较。t87701.gif (4745 bytes)

    图2 国产骨水泥的疲劳受强度

    表1 多种骨水泥的静态压力强度(MPa)—普通搅拌及真空搅拌

    国产骨水泥
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    Cerafix

    CMW-3

    PalacosE

    Sulfix-6

    Simplex-P

    Zimmer-D

    普通搅拌

    87.7

    99

    100

    95

    102

    100
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    77

    真空搅拌

    85.3

    99

    101

    97

    102

    91

    82

    关于静态弯曲强度,对比普通搅拌,真空搅拌提高了其弯曲耐受强度13%,高于国际标准组织ISO大于50MPa的标准。而弹性模量经统计学处理无显著性差异。和其他作者结果的比较见表2。

    骨水泥的疲劳耐受强度目前被认为是最重要的机械性能[8]。但由于大量的作者运用不同的方法、条件、不同的负荷、周期和频率,标本的大小和形状也不尽相同,和静态机械性能相比,其结果很难进行比较,因此我们的疲劳试验是按照德国工业标准进行的。
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    一些作者已经证实并报道,真空搅拌骨水泥可以降低骨水泥的疏松度[2],由于我们所测定的这种骨水泥不含X线对照剂,尽管两组标本经过X线照片检查,但未发现区别。然而裸眼观察,经过真空搅拌的标本透明度好,气泡少,致密度明显高于普通搅拌的标本(图1)。表2 各种骨水泥的静态弯曲耐受强度(MPa)

    普通搅拌

    真空搅拌

    国产骨水泥

    62

    70

    CMW-3

    65*

    64*
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    Sulfix-6

    64

    68

    Sulfix-60

    77

    87

    Allofix-G

    75

    85

    Palacos-E

    74*

    77*

    Palacos-R
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    66*

    72*

    Simplex-P

    74*

    71*

    Zimmer-D

    48*

    51

    Acrybond

    54~58

    在疲劳试验中发现,大多数标本并非从最窄处折断,而是在标本的中1/3含气泡处。这也证实了Topoleski(1990)的结论:空洞将减少骨水泥的抗疲劳强度。
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    作者简介:米川(1960-),男,副主任医师,医学博士。研究方向:骨与软组织肿瘤。电话:(010)66171122×2416 E-mail.cn191473@ucinfo.com

    参考文献:

    [1] 姚志修,王善源,王公善,等.国产骨水泥按国际标准的评定[J].中华骨科杂志,1997,17(10):624

    [2] 陈晓欣,吕厚山,高 彤,等.真空搅拌对国产骨水泥性能影响的观察[J]. 中华外科杂志,1992,30(10):593~595.

    [3] Draenert Y,Draenert K.“Modern cementing-technique” in Die Blauth-Kine-endoprothese-Grundlagen,gegenwurtiger Stand und Ausblik[J].J Hassenpflug (ed.),Hans Huber,Bern,1992,95~103.
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    [4] Fritsch E.Static and fatigue properties of two new low-viscosity PMMA bone cements improved by vacuum mixing[J].J Biomed Mater Res,1996,31:451.

    [5] Fritsch E,Rupp S,Katenkirchen N.Does vacumm-mixing improve the fatigue properties of high-viscosity poly(methylmethacrylate)(PMMA)bone cement?[J]. Arch Orthop Trauma Surg,1996,115:131.

    [6] Hansen D,Jensen JS.Mixing does not improve mechanical properties of all bone cements[J].Acta Orthop Scand,1992,63(1):13.
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    [7] Hopf T,Fritsch E.Technische Modifikationen zur Steigerung der Ermungsfestigkeit des Knochenzements[J].Orthop Praxis,1992,7:465.

    [8] Lewis.G, Austin G.Mechanical Properties of Vacuum-Mixed Acrylic bone cement[J].J Appl Biomater.1994,5:307.

    [9] Topoleski LDT,Ducheyne P,Cuckler JM,et al.A fractographic analysis on in vivo poly-methyl-methacrylate bone cement failure mechanisms[J].J Biomed Mater Res,1990,24:135.

    [10] Wang JS,Franzen H,Jonson E,et al.Porosity of bone cement reduced by mixing and collecting under vacuum[J].Acta Orthop Scand,1993,64:143.

    (收稿:1999-05-31 修回:2000-05-16), http://www.100md.com