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PMMA骨水泥的测试断裂韧性

19年9月23日更多行业

骨水泥在膝关节、髋部、肩部和肘部的关节成形术中通过填充植入物和骨之间的空间来固定关节。本文讨论了测定聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥断裂韧性的方法。

PMMA是骨水泥的最常见的形式，可以有几种不同的品种。化学制剂可以调节，或水泥可以与抗生素剂，其可改变机械性能浸渍。最重要的骨水泥功能是负载从植入物转移到骨和吸收两者之间震荡。因此，理解的故障模式和抗断裂性是评价性能的关键。

骨水泥通常是两部分环氧树脂，由粉末和液体混合而成。混合后，骨水泥从流动的液体转变成面团状的材料，可以模压到空间中。聚合过程中会发生放热反应，然后固化成硬化的水泥，将植入物固定在原位。

有几种测试方法可以用来评估骨水泥的性能:

ASTM F451 - 标准规范丙烯酸骨水泥
ASTM F2118 - 为的丙烯酸骨水泥材料的力控制的疲劳试验的恒定幅度的测试方法。
ISO 5833 - 外科植入物 - 丙烯酸树脂水泥

但是，本文将具体介绍了使用ASTM E399和ASTM D5045方法PMMA骨水泥的平面应变断裂韧性测试。

评价断裂韧性

ASTM E399和ASTM D5045标准的目的是确定金属或塑料材料的断裂韧性（K1C）。断裂韧性测试主要是线性弹性，平面应变条件下进行。使用的典型试样的几何形状紧凑拉伸（CT）和单边缘切口弯曲（SENB）。

在这里描述的例子中，使用ASTM E399和ASTM D5045中描述的公式、样本设计和测试方法对医用级PMMA骨水泥进行了测试。我们使用了SENB标本的几何结构，并报告了K1C值。

样本设计

选择合适的试件尺寸和几何形状对保证裂纹尖端的平面应变条件得到满足具有重要意义。为了确保获得有效的断裂韧性值，需要一个锋利的起子缺口。

在选择合适的几何试样时，要考虑几个因素，包括可用材料的数量、材料的成本、裂纹的方向和制作试样的难度。由于大多数骨水泥的用量较少且几何形状不同，因此很难对样本进行标准化，因为常见的尺寸在生理学上的相关性有限。骨水泥测试标本是使用制造商推荐的技术，将液体和粉末按适当的比例混合，然后倒入定制的模具中，以复制SENB的几何形状。这种几何结构使用更少的材料，使它更容易机器的材料，直到最后的标本大小。

标本制作

用于制作样品的定制模具是用食品级硅树脂和德林材料制作的，以提供足够的刚度(图1)。模具的尺寸略大于标准尺寸，包括完整的刀口，以便在样品形成和固化后进行加工。这允许去除不规则表面和任何变形时发生的水泥固化。采取额外的步骤来清洁和准备标本进行检测。

测试方法

本试验的主要目的是将PMMA骨水泥置于平面应变条件下。为了测试平面应变条件，一个尖锐的缺口是用来启动一个裂纹在理想的位置的标本。裂纹可以由疲劳载荷产生，通常被称为疲劳预裂纹(ASTM E399)或刀片压入试样，产生一个尖锐的缺口和裂纹(ASTM D5045)。

如果水泥具有脆性，疲劳预制裂纹效果最好。一个SENB样品装入一个3点弯曲夹具（图2），在ASTM E399规范中列出，以产生疲劳预制裂纹，并进行断裂韧性测试。

如果水泥表现出延展性，首选的方法是ASTM D5045规范中描述的方法。该方法要求将刀片压入凹槽中，产生与疲劳预裂方法类似的裂纹。当使用疲劳预裂法或刀片法时，缺口必须是直的，且延伸不小于0.050英寸。裂纹形成后，穿透性染料有助于裂纹的鉴别和试样断口的韧性测试。

断裂韧性测试使用相同的夹具作为疲劳预制裂纹方法。对于PMMA骨水泥，加载速率叫出来的ASTM E399过快，导致不一致的结果。在ASTM D5045中描述的修饰的位移速率为适合于材料和提供更一致的结果。执行用于每种材料的条件的三个或更多的测试建议。

加载试件后，产生加载点位移曲线。数据输出通过确定K1C值的多个计算进行路由。

报告和分析

ASTM E399和D5045是用于脆性材料的理想的试验方法。三个力 - 位移模式存在（图3）与从初始线性部分的95％的偏差（或割线）。在该图上，其中，95％的偏差越过测试数据点是用于确定测试的有效性是重要的（它有资格作为K1C - 资格该样品大小足以平面应变条件）。由于这95％的偏差和交叉点的最大的力的增加，更大的可能性，即测试将是无效之间的差。ASTM E399允许使用替代的测试方法，如果这差过大。

附加因素的影响试验的有效性是预裂纹长度，预裂纹平直度，和加载速率。如果任何这些是无效的，那么最终的断裂韧性值必须被报告为无效。然而，一个无效的断裂韧性值并不意味着该数据是不可用的。无效值可以在相同的应用中作为有效破坏韧性值被使用，但是如果需要一个有效的断裂韧性值，那么需要附加的测试来研究导致无效的因素。在更改测试参数或标本大小将不能保证有效的破坏韧性值。

整体测试输出（K1C）测量的一个缺陷是用于理解骨水泥的性能至关重要的存在下抗断裂材料的能力。