Fatigue strength tests of multifunctional resorbable composite plates in simulated biological conditions

Abstract

Artykuł jest kolejną częścią prezentującą wyniki badań mechanicznych wielofunkcyjnych resorbowalnych płytek zespalających. Testy dotyczyły wyznaczenia wytrzymałości zmęczeniowej płytek ze-spalających w warunkach symulujących rzeczywiste warunki pracy. Określenie tego parametru, zwłaszcza w elementach poddawanych obciążeniom zmiennym w czasie, jest bardzo ważne ze względu na możliwość wystąpienia w materiale zmian strukturalnych np.: umocnienia odkształceniowego czy rozwoju defektów prowadzących do zniszczenia elementu. Materiały kompozytowe o osnowie polimerowej modyfikowane cząstkami ceramicznymi są stosunkowo czułe na tego typu obciążenia. Kolejnym aspektem, który musi być uwzględniony przy opisie i charakterystyce mechanicznej przedmiotowych implantów jest środowisko, w jakim się one docelowo znajdą. Temperatura, pH oraz skład chemiczny to czynniki bezpośrednio wpływające na sposób i tempo degradacji polimeru resorbowalnego. Degradacja z kolei wpływa na charakterystyki wytrzymałościowe osłabiając materiał. W prezentowanych badaniach zastosowano modelowe zespolenie, w którym rolę odłamów kostnych pełniły specjalnie przygotowane bloczki z PMMA, do których za pomocą śrub metalowych przymocowana była testowana płytka. Tak przygotowany układ mocowano w maszynie zmęczeniowej i poddawano cyklicznemu rozciąganiu. Zastosowano dwa warianty badania: pierwsze, gdzie modelowe zespolenie obciążano „na sucho” bez obecności płynów symulujących środowisko biologiczne; i drugi, gdzie modelowe zespolenie umieszczano w zamkniętym zbiorniku, wypełnionym płynem symulującym środowisko biologiczne. Jako medium zastosowano płyn Ringera podgrzewany do temperatury ~37°C.Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że płytki badane „na sucho”, cechowały się inną charakterystyką niż płytki wystawione na oddziaływanie symulowanego środowiska biologicznego.The article is part of a series of publications presenting the results of mechanical tests of multi-functional resorbable fixation plates. Tests were con-ducted on prototype plates in conditions simulating natural biological environment. The examinations were meant to assess the so-called “implant working time” or fatigue strength of the fixation plates. This parameter is particularly important in the case of elements subjected to time-varying loads due to the possibility of alterations to the material structure, strain strengthening or development of defects leading to the implant failure. Composite materials consisting in a polymer matrix modified with ceramic particles are quite sensitive to variable loads. Moreover, the complex geometry of the tested plates makes them more vulnerable to destruction with the critical cross-sections located at the fixing holes. Another key aspect is the biological environment where the implants will perform their functions. The temperature, pH and chemical composition are factors directly affecting the way and rate of degradation of the resorbable polymer. Degradation affects the strength characteristics, obviously weakening the material. The tests were performed on a model composed of PMMA blocks playing the role of bones with the tested plate attached with metal screws. The model was mounted in a fatigue machine and subjected to cyclic stretching. Two variants of the examinations were performed. Firstly, the model was tested in “dry” conditions; secondly - in a closed container filled with fluids simulating the biological environment (the Ringer’s solution heated to ~37°C used as the medium). The results revealed that the plates tested in “dry” conditions were endowed with different characteristics as compared to the plates exposed to the simulated biological environment