ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. ΘΕΟΔΩΡΟΣ Κ. ΗΛΙΑΔΗΣ Οδοντίατρος Ορθοδοντικός M.S.

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. ΘΕΟΔΩΡΟΣ Κ. ΗΛΙΑΔΗΣ Οδοντίατρος Ορθοδοντικός M.S."

Transcript

1 ΑΠΟ ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΤΑΡΜΑΚΟΛΟΠΑΣ ΤΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΑΗΣ ΤΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΑΘΗΝΩΝ Διευαυντής: Η Καά. Χ. Σπυράκη και ΑΠΟ ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΫΑΙΚΩΝ ΤΗΣ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΤΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΑΘΗΝΩΝ Διευ8υντής: Ο Αν. Καά. Γ. Ηλιάδης ΒΑΘΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΔΙΠΛΩΝ ΔΕΣΜΩΝ ΑΝθΡΑΚΟΣ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΙΗ ΕΠΑΝΑΚΤΗΘΕΝΤΟΣ ΠΟΛΥΜΕΘΑΚΡΥΛΙΚΟΥ ΜΕΘΥΛΙΟΥ (ΤΣΙΜΕΝΤΟ) ΑΠΟ ΑΝΑΘΕΩΡΗΜΕΝΕΣ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΕΣ ΙΣΧΙΟΥ ΚΑΙ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΟΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΟΔΩΡΟΣ Κ. ΗΛΙΑΔΗΣ Οδοντίατρος Ορθοδοντικός M.S. ΑΘΗΝΑ 2002

2 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Ιωάννης Στ. Παπαδόπουλος, Αναπλ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών (επιβλέπων) Θεόδωρος Πανταζόπουλος, Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Γεώργιος Παπαδόπουλος, Επίκ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Πανμίου Αθηνών ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ (Ημερομηνία εξέτασης Τρίτη ) Γεώργιος Χαρτοφυλακίδης, Ομότ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Κων/νος Σέκερης, Ομότ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Θεόδωρος Πανταζόπουλος, Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Γεώργιος Παπαχρήστου, Αναπλ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Ιωάννης Στ. Παπαδόπουλος, Αναπλ. Καθ. Ιατρικής Σχολής παν/μίου Αθηνών (επιβλέπων) Γεώργιος Παπαδόπουλος, Επίκ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Κων/νος Κωνσταντόπουλος, Επίκ. Καθ. Ιατρικής Σχολής Παν/μίου Αθηνών Έγκριση διεκπεραίωσης διατριβής Γενικής Συνέλευσης Τμήματος Ιατρικής με απόφαση της Η έγκριση της διδακτορικής διατριβής από το Ιατρικό τμήμα του Παν/μίου Αθηνών δεν υποδηλώνει ότι αποδέχεται τις γνώμες του συγγραφέα (Οργανισμός Πανεπιστημίου Άρθρο 202 παρ. 2 του Ν. 5343).

3 Στους γονείς μου Στη ζώσα μνήμη των Dale Wade και Arden Hegdvedt

4 "...Η επιστήμη είναι μια, ουσιαστικά, αναρχική δραστηριότητα. Ο θεωρητικός αναρχισμός είναι πιό ανθρωπιστικός και περισσότερο κατάλληλος να ενθαρρύνει την επιστημονική πρόοδο απ' ότι οι εναλλακτικές προτάσεις που στηρίζονται στην έννομη τάξη. Αυτό αποδεικνύεται τόσο από την εξέταση των ιστορικών γεγονότων όσο και από τη θεωρητική ανάλυση της σχέσης ιδέας και πράξης. Η μόνη αρχή που δεν αναχαιτίζει την πρόοδο είναι η αρχή: όλα επιτρέπονται. Για παράδειγμα μπορούμε να χρησιμοποιούμε υποθέσεις που αντιφάσκουν με επικυρωμένες θεωρίες ή και με γενικώς αποδεκτά πειραματικά αποτελέσματα... Μπορούμε να προάγουμε την επιστήμη με αντιεπαγωγικές ενέργειες... Η εμπειρική επαλήθευση των υποθέσεων δεν εξασφαλίζει, κατ' ανάγκην, και την ορθότητα τους. Η συνθήκη της συνέπειας που απαιτεί από τις νέες υποθέσεις να συμφωνούν με τις ήδη αποδεκτές θεωρίες είναι αδικαιολόγητη επειδή διατηρεί την παλιότερη και όχι την καλύτερη θεωρία. Δεν υπάρχει ιδέα, οσοδήποτε παλιά και συγκεχυμένη, που να μην είναι ικανή να βελτιώσει τη γνώση μας... δεν υπάρχει θεωρία που να συμφωνεί με όλα τα γεγονότα του πεδίου εφαρμογής της....συνεπώς η επιστήμη είναι πολύ πιο κοντά στο μύθο από ότι μια επιστημονική φιλοσοφία είναι έτοιμη να δεχτεί. Είναι κραυγαλέα, θορυβώδης και αυθάδης και η υπεροχή της είναι αυτονόητη μόνο για όσους έχουν ήδη αποφασίσει υπέρ κάποιας ιδεολογίας ή την έχουν αποδεχτεί χωρίς να εξετάσουν τα όρια της, ως τον πιό σύγχρονο επιθετικό και δογματικό θρησκευτικό θεσμό." «Ενάντια στη μέθοδο»

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ /. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ορολογία και ιστορικά Θεώρηση του προβλήματος 8 2. ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 2.1 Εισαγωγή Ορισμοί Αντιδράσεις πολυμερισμού Πολυμερισμός συμπύκνωσης (αντίδραση σταδίων) Πολυμερισμός προσ8ήκης (αντίδραση αλύσου) Δομή και ιδιότητες ΡΜΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ 3.1 Γενικά Ρεολογική συμπεριφορά υλικών ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ (ΟΑΙ) 4.1 Ιστορικά-Χρήση του ΡΜΜΑ ατην ΟΑΙ Γενικά Υλικά ΟΑΙ Ανεπιθύμητες ενέργειες-συμβάματα κατά την ΟΑΙ Ανάλυση τάσεων στην πρόθεση Τύποι ακινητοποίησης Ακινητοποίηση χωρίς τσιμέντο α PEMF ß Βιοδραστικές ύαλοι γ Ανάπτυξη πορώδους οστικής μικροδιείσδυσης δ Επικάλυψη με ψεκασμό πλάσματος υδροξυαπατίτη Ακινητοποίηση με τσιμέντο α Τσιμέντο Β Μεσόφαση τσιμέντου-πρόαεσης (μετάλλου) γ Προεπικάλυψη στειλεού με ΡΜΜΑ Τσιμέντο α Τεχνικές μίξης Τυγοκκέντριση γ Πίεση Προοπτικές βελτιστοποίησης τσιμέντου ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ-ΕΝΑΡΞΗ ΧΑΛΑΡΩΣΗΣ 5.1 Γενικά περί απελευ&έρωσης και διάχυσης προϊόντων φθοράς από προθέσεις Απελευθέρωση προϊόντων φθοράς και διάβρωσης Αποτριπτική φθορά και αντίδραση τρίτου σώματος Τσιμέντο Αυξημένες τοπικά τάσεις Βιολογικοί παράγοντες αποτυχίας Συστολή πολυμερισμού Θερμοκρασία από εξώθερμη Πρόγνωση αναθεωρημένων αρθροπλαστικών 106 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 6. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ 108 ι

6 Επανακτηδέν τσιμέντο Μορφολογία,μικρόδομή Στοιχειακή σύνδεση Μοριακή σύνδεση Μετατροπή διπλών δεσμών άνθρακα Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες Μικροσκληρότητα Συμπιεστική αντοχή Αντοχή κάμψης τριών σημείων Δοκίμια πολυμερισμένα παρουσία υγρασίας Στατιστική επεξεργασία IO. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Επανακτηδέν τσιμέντο Μορφολογία, μικροδομή Στοιχειακή σύνδεση Μοριακή σύνδεση Μετατροπή διπλών δεσμών άνδρακα Φυσικές και ηχανικές ιδιότητες Μικροσκληρότητα Αντοχή κάμψης τριών σημείων Συμπιεστική αντοχή ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΨΙΑ η

7 ΠΡΟΟΙΜΙΟ Ι Ι αξιοσημείωτη πρόοδος που έχει λάβει χώρα τα τελευταία χρόνια σε τομείς που άπτονται διαφόρων εφαρμοσμένων τεχνολογικών επιτευγμάτων, έχει οδηγήσει στην εισαγωγή πληθώρας νέων τεχνικών και υλικών στις βιοϊατρικές επιστήμες. Ειδικά η εξέλιξη της τεχνογνωσίας σε υλικά που δύνανται να χρησιμοποιηθούν για την λειτουργική ή αισθητική αποκατάσταση τμήματος του ανθρωπίνου σώματος, έχει επιφέρει επαναστατικές αλλαγές στη θεραπευτικά πρωτόκολλα των συναφών ιατρικών ειδικοτήτων. Παράλληλα με την εισαγωγή νέων τεχνικών και υλικών, δραματική ανάπτυξη επήλθε και στην οργανολογία που εφαρμόζεται για τη μελέτη των ιδιοτήτων τους και την αξιόπιστη και λεπτομερή διερεύνηση της χημικής σύστασης, μηχανικής συμπεριφοράς και της κινητικής των αντιδράσεων και αλληλεπιδράσεων τους με τα περιβάλλοντα έμβια και μη στοιχεία. Η ολική αρθροπλαστική του ισχίου έχοντας ζωή μικρότερη των 50 ετών στη μορφή που την ξέρουμε, εξακολουθεί να αποτελεί συχνή επέμβαση σε πλήθος παθολογικών καταστάσεων και με πολλαπλές ενδείξεις. Αν και πολλές επί μέρους μετατροπές έχουν κατά καιρούς δοκιμαστεί, η βασική τεχνική παραμένει ίδια όπως επίσης και τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτήν. Θεωρήσαμε ότι με εφαρμογή αναλυτικών τεχνικών θα ήταν δυνατόν να μελετηθούν επί μέρους παράμετροι που θα φώτιζαν ορισμένες πλευρές του σύνθετου φαινομένου της λειτουργικής παραμονής του συστήματος τσιμέντου-πρόθεση στο ανθρώπινο σώμα. Σε αυτήν την προσπάθεια το σημαντικότερο πρόσωπο ήταν ο επιβλέπων, πέρα από την φυσική του θέση ως κατευθυντηρίου κέντρου της έρευνας. Η αναζήτηση ερευνητικού αντικειμένου ελκυστικού αλλά και αντιπροσωπευτικού των κλίσεων του υποψηφίου από ένα πολυάσχολο μέλος του ΔΕΠ μιας μεγάλης Σχολής με βάση την επιθυμία ενός φοιτητή του για έρευνα στον συγκεκριμένο τομέα, είναι ίδιον των προικισμένων δασκάλων. Ο Γιάννης iii

8 Παπαδόπουλος ανήκει σ' αυτούς και ενεθάρρυνε όχι μόνο την επιλογή του θέματος αλλά και την οπουδήποτε χρειαζόταν αλλαγή των κατευθύνσεων προς αποφυγή του αδιεξόδου που συχνά βρισκόταν απέναντι μας λόγω του σύνθετου θέματος που περιελάμβανε αναλυτική μελέτη σε κλινικό υλικό που προέρχεται από νοσοκομειακές μονάδες με μεγάλο φόρτο νοσηλευτικών υποχρεώσεων και διεκπεραίωση πολυπληθούς αριθμού επεμβάσεων. Η ορθοπαιδική κλινική του εμπειρία από την αντιμετώπιση προβλημάτων στη Βόρεια Ευρώπη φάνηκε χρήσιμη και στις συζητήσεις μας για τον χειρισμό τέτοιων υλικών στο χειρουργείο, στην λεγόμενη «υπαρκτή ιατρική», της οποίας τη διδασκαλία εκείνος πρωτοεισήγαγε πριν λίγα χρόνια στο εκπαιδευτικό πρόγραμμα της Ιατρικής στην Αθήνα. Έχοντας την τύχη να μεγαλώσω ηλικιακά και επιστημονικά δίπλα στον αδελφό μου είχα την πολυτέλεια δοκιμάζοντας ιδέες και σκέψεις κατά το δοκούν και εκ του επιστημονικώς ασφαλούς, να προσεγγίζω εύκολα την προοπτική και να επιταχύνω την ωρίμανση όλων των διαδικασιών γνώσης που αποπειράθηκα να ξεκινήσω. Αυτό και μόνο θα ήταν αρκετό για να είμαι ευγνώμων στους γονείς μου διότι αυτός προηγήθηκε της εμής αντικρύσεως του φωτός κατά κάποια έτη. Ειδική αναφορά θα πρέπει να κάνω στο Γιάννη Τσαρουχά για το ενδιαφέρον με το οποίο περιέβαλε την συλλογή των ανασυρθέντων τμημάτων από τις αναθεωρήσεις παρ' όλη την εξαντλητική χειρουργική του ενασχόληση. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον Ομ. Καθ. Θεόδωρο Πανταζόπουλο που συνέστερξε αυτή την προσπάθεια και τον Επικ. Καθ. Γιώργο Παπαδόπουλο για τις παρατηρήσεις και την προθυμία να συμβάλλει στην πιο ολοκληρωμένη παρουσία της διατριβής. Θερμές ευχαριστίες ανήκουν επίσης στον Alan Litsky, διευθυντή του Εργαστηρίου Ορθοπαιδικών Βιοϋλικών του Παν/μίου Ohio State, για την προσφορά πληροφοριών και πρόσβασης σε αδημοσίευτα χειρόγραφα, διατριβές και αποτελέσματα της ομάδας του σχετικών με το αντικείμενο. iv

9 Η διατριβή τέλος αυτή, είναι μια κόποις ανάμνηση των καθηγητών μου Dale Wade και Arden Hegdvedt. Σημαντικό κομμάτι της συγκρότησης που μας παραδόθηκε, πέρα από την επιστημονική τους ακτινοβολία, συνιστούσε η προσήνεια και το ενδιαφέρον τους για τους φοιτητές τους ως προσωπικότητες. Γι αυτό το λόγο ήταν διττός σταθμός στην εκπαιδευτική μας πορεία: πρότυπα αλλά και απτή απόδειξη ότι η επιστήμη δεν είναι δραστηριότητα που συνοδεύεται από αποστειρωμένη τυπολατρία και από καθ' έδρας ύφος αυθεντίας. Σε μια τραγική συγκυρία, οι επόμενες σειρές ειδικευομένων δεν θα έχουν την εμπειρία της γεύσης του ενθουσιασμού και της ιδιοφυίας τους, μια και οι δύο είχαν απρόσμενο τέλος. Η καταλυτική επίδραση τους, πέρα από την κλινική μας εκπαίδευση, στον τρόπο σκέψης και εν κατακλείδι στην αντιμετώπιση των δυσχεριών της προσωπικής πορείας του καθενός, χαράκτηκε εμφανώς επάνω μας: τα μικρά τους ονόματα δόθηκαν σε παιδιά φοιτητών τους και στη μνήμη τους αφιερώθηκαν πονήματα, όπως το ανά χείρας. Το παρόν ας είναι και μνημόσυνο τους. ν

10 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ "...Η επιστήμη ως σύνολο, κατά καιρούς όντως αποδεικνύεται χρήσιμη, ανοίγει νέους τομείς, αποκαλύπτει την υπάρχουσα τάξη και αμφισβητεί τις αποδεκτές από καιρό πεποιθήσεις. Ωστόσο, το άτομο που αφιερώνεται σε ένα πρόβλημα έρευνας σχεδόν ποτέ δεν κάνει τίποτα απ' όλα αυτά. Απ' τη στιγμή που αφοσιώνεται στην έρευνα τα κίνητρα του αλλάζουν. Τώρα πιά τον προκαλεί η πεποίθηση ότι, αν αποδειχτεί αρκετά επιδέξιος, 3α καταφέρει να επιλύσει ένα γρίφο που κανένας στο παρελθόν δεν είχε επιλύσει ή δεν είχε επιλύσει τόσο καλά. Πολλά απο τα μεγαλύτερα επιστημονικά μυαλά αφιέρωσαν όλη την επαγγελματική τους προσοχή ψάχνοντας για γρίφους τέτοιου είδους." Τ. 5. fcit-fi** «Η δομή των επιστημονικών επαναστάσεων»

11 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ορολογία και ιστορικά Κατά την θεραπεία τραυμάτων ή ασθενειών, έχει από αιώνων δοκιμαστεί η χρησιμοποίηση μη ζώντων υλικών ως λειτουργικών υποκατάστατων ή θεραπευτικών μέσων, αντίστοιχα. Τα πιο κοινά σύγχρονα παραδείγματα αποτελούν τα συνθετικά ράμματα και τα υλικά έμφραξης δοντιών. Γενικά, ως βιοϋλικό, κατά το κλασσικό «Biomaterials Science and Engineering» του J. Β. Park, ορίζεται το υλικό που αντικαθιστά μέρος ή λειτουργία του οργανισμού και έρχεται σε απόλυτη επαφή με τους υπόλοιπους ιστούς (Park, 1990). Ένας πληρέστερος ορισμός δ4θηκ& το 1974 από το Clemson University Advisory Board on Biomaterials κατά τη διάρκεια του 6 ου ετήσιου Διεθνούς Συμποσίου Βιοϋλικών ως «μία συστηματικά και φαρμακολογικά αδρανής ουσία σχεδιασμένη για εμφύτευση ή εγκόλπωση μέσα σε ένα ζωντανό σύστημα» (Park and Lakes, 1992). Τέλος, μία περιεκτικότερη έννοια για τα βιοϋλικά αποδίδεται στον Black (1981) ο οποίος τα περιέγραψε ως φυσικά ή τεχνητά υλικά που προορίζονται για να κατευθύνουν, συμπληρώσουν ή να αντικαταστήσουν λειτουργίες του οργανισμού. Ωστόσο η έννοια αυτή αποδίδει έμφαση κυρίως στη χρήση των βιοϋλικών ως εμφυτευμάτων ή υλικών ενδοπροθέσεων εξαιρώντας πολλές χρήσεις τους όπως π.χ. πολυμερή-φορείς φαρμακευτικών ουσιών που παύουν να είναι «αδρανείς φαρμακολογικά ουσίες», ή νέα υλικά προκύπτοντα από βιολογικές διεργασίες όπως η σύνθεση νέων πολυμερών μέσω της ενζυμικής κατάλυσης αντιδράσεων από λιπάσες, ή ορισμένων

12 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ εφαρμογών πολυμερισμού υψηλού μοριακού βάρους υδατοδιαλυτών, υδατανθρακικών μονομερών. Η εξέλιξη των υλικών, εφαρμογών και τεχνικών στο χώρο έχει κατ' ουσίαν ανατρέψει διάφορους ορισμούς του παρελθόντος μια και ήδη από το 1990 στην έκδοση του Materials Research Society "Materials synthesis utilizing biological processes", παρουσιάζονται από τους Caplan και την ομάδα του από το Cleveland και τον Slavkin από το Πανεπιστήμιο Νότιας Καλιφόρνιας βάσιμες προοπτικές σύνθεσης τεχνητού οστού και αδαμαντίνης, αντίστοιχα (Rieke et al, 1990). Η χρήση του προθέματος βιο- στη λέξη «βιοϋλικά» παραδόξως δεν παραπέμπει στην αναμενόμενη μελέτη βιολογικών παραγόντων όπως τα υλικά από τα οποία αποτελούνται οι ιστοί διαφόρων συστημάτων, όπως π.χ. του μυοσκελετικού (οστούν, τένοντες). Κατά συνθήκην, η χρήση του όρου βιοϋλικά (bìomaterials) αναφέρεται σε συνθετικά, τεχνητά υλικά που χρησιμοποιούνται σε αποκαταστάσεις, ενώ αντίστοιχα αυτή του όρου βιολογικά υλικά (biological materials) περιλαμβάνει αυτά από τα οποία αποτελείται το ανθρώπινο σώμα, κατά την επικράτηση του συναφούς όρου βιολογικά υγρά αναφερόμενου σε υγρά παραγόμενα από το σώμα. Ιστορικά, η εξέλιξη τόσο των χρήσεων, όσο και αυτών των ίδιων των υλικών στην ορθοπαιδική έχει παρουσιάσει εντυπωσιακή πρόοδο στο μέτρο που 50 μόλις χρόνια πριν τα χρησιμοποιούμενα υλικά περιορίζονταν σε αυτά του βασικού εξοπλισμού ενός ξυλουργείου απαρτιζόμενα κυρίως από κοχλιούμενους ή μη ήλους από ανοξείδωτο χάλυβα. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει ένα μικρό δείγμα από την μεγάλη εξέλιξη των εφαρμοζόμενων πρωτοκόλλων. 2

13 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΤΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΟΡΘΟΠΑΙΔΙΚΩΝ ΒΙΟΥΛΙΚΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ Η. Hansmann Α. Lane Χ. D. Sherman Α. Zierold W. Hey-Groves Ν. Smith-Petersen P. Wiles ). and R. Judet J. Charnley Από Park, Biomaterials Science and Engineering, Plenum Press, ΥΛΙΚΟ-ΤΕΧΝΙΚΗ Οστεοσύν8εση με επινικελιωμένα υλικά Βίδες ανοξείδωτου χάλυβα για ακινητοποίηση κατάγματος Χρήση κράμματος Vanadium για αποκλειστικά ιατρική εφαρμογή Χρήση κράμματος Steinte Χρήση μεταλλικών βιδών ξυλουργείου για αποκατάσταση υποκεφαλικού κατάγματος μηριαίου Σχεδίαση πρώτου ατσάλινου ήλου για αποκατάσταση κατάγματος μηριαίου Πρώτη ολική αρ8ροπλαστική ισχίου Πρώτη εμβιομηχανικά σχεδιασμένη ενδοπρόθεση ισχίου Εφαρμογή και μελέτη της χρήση ακρυλικού τσιμέντου (ΡΜΜΑ) σε αρ8ροπλαστική ισχίου Η ταξινόμηση των χρήσεων των βιοϋλικών όπως παρουσιάζεται από τον Park παρουσιάζει την ευρύτητα περιεχομένου και την ποικιλία εφαρμογών και συγκεντρώνει περιληπτικά το εκτενές πεδίο εφαρμογής και τις πολλαπλές τους χρήσεις, κατά περίπτωση. Ο πίνακας 1.2 παρουσιάζει αυτή την συνοπτική και κατά αντικείμενο παράθεση των βιοϋλικών. ΕΙΔΟΣ ΕΠΕΜΒΑΣΗΣ Αποκατάσταση κατεστραμμένου μέρους Επούλωση Βελτίωση λειτουργίας Διορθωτικά λειτουργικών διαταραχών Διοράωτικά εμφάνισης Διαγνωστικά μέσα Θεραπευτικά μέσα ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2 Χρήσεις βιοϋλικών ΕΨΑΡΜΟΓΗ Τεχνητές αρβρώσεις, μηχανές αιμοδιάλυσης Ράμματα, υλικά οστεοσύνδεσης Βηματοδότες, φακοί επαφής Harrington σπονδυλικής στήλης Γενειοπλαστική, πλαστική στήδους Καάετήρες Υλικά παροχετεύσεων Η επιτυχής εφαρμογή και λειτουργική απόδοση ενός βιοϋλικού εξαρτάται κυρίως από τις μηχανικές του ιδιότητες και την βιοσυμβατότητά του, την κατάσταση υγείας του δέκτη και τον τρόπο τοποθετήσεως του από την ομάδα του χειρουργείου ή ευρύτερα τη θεραπευτική ομάδα. Ο συνηθισμένος κατάλογος των απαιτήσεων που ένα υλικό πρέπει να πληρεί όπως αυτές παρατίθενται στα βιβλία αναφερόμενες σε ιδεατά υλικά, περιλαμβάνει την

14 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ βιοσύμβατότητα, μη τοξικότητα και μη καρκινογένεση, χημική αδράνεια και σταθερότητα (απουσία αποδόμησης ή φθοράς), μηχανικές ιδιότητες ανταποκρινόμενες στις απαιτήσεις, σχεδιαστική τελειότητα, σωστό βάρος και επιθυμητή πυκνότητα, χαμηλό κόστος κατασκευής με αξιόπιστες και απλές τεχνικές. Ως προς την ταξινόμηση των χρήσεων των βιοϋλικών χειρουργικών χρήσεων, ενδιαφέρον παρουσιάζει ο πίνακας 1.3 (από Williams and Roaf, 1973) όπου παρατίθενται βιοϋλικά με βάση την μονιμότητα ή μη των αποκαταστάσεων στις οποίες συμμετέχουν κατά σύστημα. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3 Περιγραφή των διαφόρων χρήσεων των Βιοϋλικών στη χειρουργική ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ ΜΟΝΙΜΑ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ Μυοσκελετικό σύστημα ωμοί, αγκώνες, φάλαγγες, ισχίο, γόνατο Καρδιαγγειακό σύστημα καρδιά (βαλβίδες, βηματοδότες), αγγεία Αναπνευστικό σύστημα λάρυγγας, τραχεία, διάφραγμα Ουροποιητικό σύστημα ουρητήρας, τεχνητοί νεφροί, κύστη Νευρικό σύστημα υδροκεφαλική παροχέτευση ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ Τεχνητή υποστήριξη λειτουργιών καρδιά, νεφροί, πνεύμονες Αποσυμπιεστική αφαίρεση υγρών καθετήρες Προσωρινή κάλυψη δέρμα, υγρά εμβαπτίσεων Ορ8οπαιδική ακινητοποίηση Βίδες, πλάκες, σύρματα Χειρουργικά μέσα ράμματα, χειρουργικά συγκολλητικά Αισ8ήσεις προσδέσεις φακού ΜαλΒακοί ιστοί τένοντες Κοσμητικά εμφυτεύματα μύτη, αυτιά, δόντια, στή8η, οφθαλμοί, πέος Γαστρεντερικό σύστημα οισοφάγος, χολικοί πόροι 4

15 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τέλος, στις παραπάνω εφαρμογές χρησιμοποιούνται υλικά ποικίλων δομών και συνθέσεων πολλά από τα οποία αναφέρονται στον πίνακα 1.4 όπου παρατίθενται και βασικά χαρακτηριστικά τους με μία άλλου τύπου κατηγοριοποίηση με βάση τις ιδιότητες τους από τον Lynch όπως αναφέρεται στους Park and Lakes (1992). ΠΙΝΑΚΑΣ 1.4 Χρήσις βιοϋλικών στον άναρωπο ΧΡΗΣΕΙΣ ΒΙΟΫΛΙΚΩΝ ΣΤΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ ΥΛΙΚΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Νάϊλον Σιλικόνες Teflon Εύκαμπτα Εύκολη κατασκευή Μικρή αντοχή Παραμόρφωση Αποδόμηση Ράμματα Αγγεία Μαλθακοί ιστοί Dacron ΜΕΤΑΛΛΑ Τιτάνιο Ανοξείδωτος χάλυβας Κράμματα Co-Cr Χρυσός Σκληρότητα Ελατότητα Μεγάλη αντοχή ΔιάΒρωση- Οξείδωση Μεγάλη πυκνότητα Αρ8ροπλαστικές Πλάκες οστεοσύν8εσης Δόντια ΚΕΡΑΜΕΙΚΑ Οξείδιο Αργιλίου Υδροξυαπατι'της ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ Ανάρακας ΒιοσυμΒατότητα Αδράνεια Μεγάλη συμπιεστική αντοχή Αντοχή Ευθραυστότητα Δύσκολη κατασκευή Ακαμψία Δύσκολη κατασκευή Οδοντικά εμφυτεύματα Μέρη αρ8ροπλαστικής Αρδροπλαστικές Βαλβίδες Το μεγάλο εύρος εφαρμογών των βιοϋλικών επεξέτεινε σταδιακά τον ορισμό του αντικειμένου και σε βιολογικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε παρόμοιες αποκαταστάσεις τα οποία μπορούν να χαρακτηριστούν και βιομημιτικά. Έτσι υλικά προερχόμενα από επεξεργασμένο οστούν ή οδοντίνη ή αλλογενή μοσχεύματα, δυνητικά συμπεριλαμβάνονται στην κατηγορία των βιοϋλικών. Ο πίνακας 1.5 παρουσιάζει αντιπροσωπευτικά τα πιο κοινά χρησιμοποιούμενα υλικά για την αντιμετώπιση οστικών βλαβών (bone defects).

16 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΣΤΕΟΠΑΡΑΓΩΓΑ Οστικά μοσχεύματα Ενδαγγειωμένο οστούν Καταψυχθέν αλλογενές οστούν Λυοφυλοποιημένο οστούν Απομεταλλικοποιημένο οστούν Αποπρωτεϊνοποιημένο οστούν ΠΙΝΑΚΑΣ 1.5 ΥΛΙΚΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΟΣΤΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Θειϊκό ασβέστιο Φωσφορικά άλατα ασβεστίου Υδροξυαπατίτης Οξείδιο Αργιλίου Πολυμερή ΡΜΜΑ Πολυαι8υλένιο Πολυτετραφ8οροαι8υλένιο Πολυ8ειόνες Πυριτικά άλατα Από Black, Biological properties of materials, Marcel Decker, ΜΕΤΑΛΛΑ Ανοξείδωτος χάλυβας Κράματα Co-Cr Κράματα Ti Εμπορικώς καθαρό Τιτάνιο (cp Ti) Η κατανόηση του μηχανισμού αντίδρασης του ξενιστή κατά του εμφυτεύματος, ανοσολογικά, κυτταρικά και ιστολογικά παρουσιάζει μεγάλη δυσχέρεια, ωστόσο, η πληθώρα των ερευνών στο αντικείμενο έχει συνεισφέρει δεδομένα που μπορούν να περιληφθούν εν συντομία στους πίνακες 1.6 και 1.7. Ο πρώτος αναφέρει συνοπτικά τους μηχανισμούς δράσης των διαφόρων πρωτοκόλλων που παρατίθενται στον προηγούμενο πίνακα όπως αναφέρεται από τους Cima and Ron (1992). Η περιγραφή της ιστολογικής εικόνας της προκληθείσας αντίδρασης τοπικά, δίνεται από τον δεύτερο. ΤΥΠΟΣ Οστεογέννεσπ ΠΙΝΑΚΑΣ 1.6 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΟΣΤΙΚΗΣ ΕΠΟΥΛΩΣΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Μεταμόσχευση προδρόμων Δοκιδώδες οστούν, μυελός μορφών ή/και στεοβλαστών περιόστεο, ενδαγγειωμένο μοσχεύματα Οστεοτροπισμός Οστεοεπαγωγή Διείσδυση οστού μέσω ορίων βλάβης Μετατροπή φαινοτυπικών χαρακτηριστικών μεσεγχυματικών κυττάρων σε σκελετικά Συμπαγές οστούν, αλλογενή μοσχεύματα μη απορροφούμενα υλικά, πορώδης οστική μικροδιείσδυση σε μέταλλα Απομεταλλικοποιημένο οστούν και οδοντίνη 6

17 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΙΝΑΚΑΣ 1.7 ΠΡΩΪΜΗ ΙΣΤΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑ ΤΥΠΟΣ ΙΣΤΟΥ Αηομεταλικοποιημένη σκόνη οστού Ενδόχονδρη οστεογέννεση Σωματίδια οστού Οστεοκλάστες Σκόνη οστού Γιγαντοκύτταρα (++) Πολυαιθυλένιο Γιγαντοκύτταρα (+++) ΡΜΜΑ Γιγαντοκύτταρα (+++) Απορροφούμενα θειϊκά άλατα Γιγαντοκύτταρα (+++) Υδροξυαπατίτης (Υ/Α) σφαιρικού σχήματος Ίνωση Υ/Α ακανόνιστου σχήματος Γιγαντοκύτταρα (+) Αντίστοιχα, οι μεταβολές που υφίστανται διάφορα υλικά προθέσεων in vivo αποτελούν αντικείμενο ευρείας μελέτης αφού πρώιμη διαφοροποίηση των ιδιοτήτων των υλικών συναρτάται με φαινόμενα αποτυχίας. Μιά και το αντικείμενο της παρούσης μελέτης επικεντρώνεται στα πολυμερή βιοϋλικά όπως το ΡΜΜΑ είναι χρήσιμο να αναφερθούν οι επιδράσεις του περιβάλλοντος εμφύτευσης στα υλικά αυτά όπως αυτή εκδηλώνεται μετά από in vivo παραμονή τους. Ο πίνακας 1.8 παρουσιάζει τις κυριώτερες αλλαγές σε επιλεγμένα υλικά όπως αυτές αναφέρονται από τους Bloch and Hastings (1972). ΠΙΝΑΚΑΣ 1.8 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΕ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΥΛΙΚΑ ΕΜΤΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ Πολυαι8υλένιο Απορρόφηση λιπιδίων και απώλεια εφελκυστικής αντοχής (από τα χαμηλής πυκνότητας) Πολυπροπυλένιο Ασήμαντες αλλαγές Πολυτετραφ8οροαι8υλένιο Υδρόλυση και απώλεια εφελκυστικής αντοχής ΡΜΜΑ Επιδράσεις από άερμική αποστείρωση, φθορά, ρωγμές Σιλικόνες Ασήμαντες αλλαγές Είναι αξιοσημείωτο ότι η έρευνα των οδοντιατρικών υλικών και η εξέλιξη των μέσων κατασκευής και τεχνικών εφαρμογής νέων υλικών για την αποκατάσταση ή αναπλήρωση ελλειπόντων δοντιών οδήγησε σε εντυπωσιακή ώθηση της έρευνας στο πεδίο με ταυτόχρονα ίδρυση και πρόοδο του National Institute for Dental Research (NIDR) κλάδου του NIH με

18 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ σημαντική δραστηριότητα στην έρευνα των υλικών. Οι εξελίξεις στο χώρο των οδοντιατρικών βιοϋλικών οδήγησαν σε παράλληλη ανάπτυξη του τομέα των ιατρικών και ορθοπαιδικών εφαρμογών τους με δραματικά όμως αργότερο ρυθμό. Έτσι ο Bowen το 1956 είχε ήδη αντικαταστήσει τη χρήση στην οδοντική χειρουργική των ακρυλικών ρητινών, όπως το ΡΜΜΑ, του οποίου η χρήση στην αρθροπλαστική ισχίου εφαρμόστηκε το 1958 από τον J. Charnley τη προτροπή του πρωτοπόρου ερευνητή οδοντιατρικών βιοϋλικών D. Smith αμφοτέρων από το Manchester, με τη νέα σύνθεση του, το Bis-GMA (διγλυκιδικός διμεθακρυλικός εστέρας της διφαινόλης Α), με βελτιωμένες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες και μικρότερη συστολή πολυμερισμού από αυτήν του ΡΜΜΑ. Αντίστοιχη έρευνα στον οδοντιατρικό χώρο έφερε ως αποτέλεσμα τη χρήση του υδροξυαπατίτη για πρώτη φορά σε οδοντιατρικά εμφυτεύματα κατά τη δεκαετία του 1980, γεγονός που ακολουθήθηκε από την εφαρμογή ορθοπαιδικών ενδοπροθέσεων με επικάλυψη υδροξυαπατίτη στα τέλη της ίδιας δεκαετίας. Τέλος, σχετικά πρόσφατα αναφέρεται (Meyer et al, 1993) και πειραματική εφαρμογή υαλοϊονομερών κονιών γνωστών στο χώρο της οδοντιατρικής ως εμφρακτικών υλικών από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, ως υποκατάστατων του τσιμέντου βασισμένη στην βιοσυμβατότητα και σχετικά καλύτερη συμπεριφορά τους στο υγρό περιβάλλον. Επίσης η σύνθεση συμπολυμερών του ΡΜΜΑ με βάση μονομερή χρησιμοποιούμενα στην οδοντιατρκή από δεκαετίες όπως το TEGMA έχει αποδώσει βελτιωμένες ιδιότητες για το τσιμέντο (Pascual et al, 1999). 1.2 Θεώρηση του προβλήματος Ο βασικός προβληματισμός της εφαρμογής των ΟΑΙ εμπεριέχεται στο φαινόμενο της χαλάρωσης της πρόθεσης η οποία δεν παρουσιάζει πάντα σαφώς καθορισμένη συνοδή 8

19 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΕΙΣΑΓΩΓΗ συμπτωματολογία, και σημειολογία. Παρ' όλα αυτά χαρακτηρίζεται από μια προοδευτικά αυξανόμενη παρουσία πόνου κατά τη διάρκεια ορισμένων κινήσεων και ακτινογραφικά εμφάνιση ακτινοδιαυγαστικής περιοχής περι-εμφυτευματικά (χάσμα). Αν και υπάρχει σχετικά μεγάλη ευρύτητα αιτιολογίας των αποτυχιών και θεωριών χαλάρωσης, με την εξαίρεση διαφόρων "ιδιοπαθών" ή επιβαρυμένων από το ιατρικό ιστορικό περιπτώσεων, είναι γενική εκτίμηση ότι τα υλικά και ο τρόπος τοποθέτησης τους αποτελεί τον ουσιώδη ελεγχόμενο παράγοντα περιορισμού των αποτυχιών. Το τσιμέντο συνιστά τον συνδετική φάση μεταξύ των εμπλεκομένων στοιχείων (οστούν και εμφύτευμα) και επομένως οι ιδιότητες του επηρεάζουν δραματικά την πρόγνωση της αρθροπλαστικής. Μια σειρά μελετών έχει καταδείξει ότι οι μηχανικές ιδιότητες, οι φυσικές ιδιότητες και η βιολογική συμπεριφορά των πολυμερών εξαρτάται από το βαθμό πολυμερισμού με την έννοια του ποσοστού απολυμέριστων διπλών δεσμών, λόγω αυξημένης συνοχής, ανάπτυξης ισχυρού πολυμερούς δικτύου που προσδίδει αντοχή στο υλικό και αναστέλει την διαφυγή παραγόντων που πιθανώς προξενούν βιολογική αντίδραση. σκοπός έρευνας Σκοπός της προτεινόμενης έρευνας είναι να μετρηθούν βασικές χημικές και φυσικές παράμετροι του πολυμερούς μετά από in vivo παραμονή του και να συγκριθούν με ομάδες δοκιμίων αναφοράς παρασκευασθέντων με πρωτόκολλα που θα διερευνούν τους παράγοντες που παρεμβάλλονται στην κλινική χρήση του υλικού. Επίσης η εργασία σκοπεύει στην ανάδειξη της επίδρασης της υγρασίας κατά τον πολυμεριμσό στη μεταβολή τριών βασικών μηχανικών ιδιοτήτων του τσιμέντου όπως μικροσκληρότητα, αντοχή κάμψης τριών σημείων και συμπιεστική αντοχή. 9

20 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ II ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 2.1 Εισαγωγή Η βασική σύλληψη της θεώρησης των μακρομορίων τα οποία περιλαμβάνουν βιολογικά και συνθετικά μακρομόρια (πολυμερή) χρονολογείται σχετικά πρόσφατα σε σχέση με το βάθος χρόνου εξέλιξης της οργανικής χημείας. Πριν από 70 χρόνια η ακαδημαϊκή κοινότητα προέτρεπε τον Herman Staudinger (Nobel Χημείας 1953) να αναθεωρήσει την πρόταση του για τα μακρομόρια και τις ιδιότητες τους, ως ατυχή. Ωστόσο συνθετικά πολυμερή ήταν ευρέως γνωστά ήδη από τον προηγούμενο αιώνα. Ο βουλκανισμός που ανακαλύφθηκε από τον Goodyear το 1839, η σελλουλόζη που διατέθηκε στο εμπόριο από τον Hyatt το 1870, αλλά και ο βακελίτης που προωθήθηκε το 1907 τον Baekeland είναι μόνο λίγα από μια σειρά παραδείγματα. Σε μια θριαμβευτική επιβεβαίωση της υπόθεσης του Staudinger και των επιγόνων του στον κλάδο, ήδη από το 1970 η βιομηχανική παραγωγή συνθετικών υλικών (πλαστικών και πολυμερών) είχε υπερσκελίσει αυτήν του χάλυβα, χαλκού και αλουμινίου μαζί (Billmeyer, 1984). Παρ' όλα αυτά, η εκπαίδευση στον τομέα αυτό δεν ακολούθησε αντίστοιχη εξέλιξη με την πρόοδο στο επιστημονικό μέρος και στο τμήμα παραγωγής, μολονότι στην δεκαετία του '80 υπάρχει σαφέστατη άνοδος του επιπέδου και αριθμού των κέντρων έρευνας πολυμερών στις Η.Π.Α. τα οποία περιορίζονταν πριν από λίγες δεκαετίες κυρίως στην πολιτεία του Ohio (Case Western Reserve και Akron) λόγω του αυξημένου ενδιαφέροντος από τις εκεί λειτουργούσες βιομηχανίες, καθώς και στη Μασαχουσέτη (Univ. of Massachusetts) και Νέα Υόρκη (Renselaer Institute). 10

21 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Ταυτόχρονα, η παράλληλη ανάπτυξη επιστημονικών μέσων και περιοδικών όπως το Journal of Polymer Science το οποίο χωρίσθηκε σε πολλά επί μέρους δορυφορικά επιστημονικά περιοδικά μετά την ταχεία ανάπτυξη του κλάδου, συνέβαλαν στην καθιέρωση των υλικών και στην έρευνα που ώθησε την σύνθεση νέων υλικών και την ευχερέστερη και ανέξοδη παραγωγή των ήδη γνωστών. Στα μέσα της δεκαετίας του '80 υπήρχαν περίπου 500 επιστημονικά περιοδικά με άρθρα που άπτονταν των πολυμερών και της τεχνολογίας τους, ενώ την ίδια περίοδο η American Chemical Society εξέδιδε περίπου περιλήψεις εργασιών (abstracts) σχετικών με το αντικείμενο, σε δεκαπενθήμερη βάση (Billmeyer, 1984) Ορισμοί Πολυμερές ορίζεται ένα μεγάλο μόριο το οποίο σχηματίζεται από την επανάληψη μικρών, απλών χημικών ομάδων. Σε ορισμένες περιπτώσεις η επανάληψη αυτή είναι γραμμική, ενίοτε δε παίρνει τη μορφή κλάδων σε τρισδιάστατη ανάπτυξη σχηματίζοντας δίκτυο, και επομένως η αρχικώς περίεργη διαπίστωση óu πολλές φορές οι ιδιότητες του πολυμερούς διέφεραν σημαντικά από αυτές του μονομερούς, μπορεί να ερμηνευτεί επαρκώς. Η επαναλαμβανόμενη ομάδα είναι σχεδόν πάντοτε ισοδύναμη με το μονομερές το οποίο είναι το αρχικό υλικό σχηματισμού του πολυμερούς. Το μήκος της αλυσίδας εξαρτάται από τον αριθμό της επανάληψης της αρχικής βασικής ομάδας (μονομερές). Αυτό το μέγεθος καλείται αριθμός ή βαθμός πολυμερισμού. Το γεγονός που διαφοροποιεί τα πολυμερή και άλλες μικρού μοριακού βάρους ενώσεις είναι πιθανώς η ύπαρξη μιας κατανομής από αλυσίδες και επομένως και μοριακών βαρών και βαθμών πολυμερισμού στα πολυμερή. Λόγω ακριβώς αυτής της κατανομής, η πειραματική μέτρηση του μοριακού βάρους των πολυμερών ενώσεων είναι προσεγγιστική. 11

22 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Τρισδιάστατα δίκτυα πολυμερών παράγονται από αντιδρώσες ουσίες με άνω των δύο λειτουργικών ομάδων ανά μόριο. Η ανάπτυξη αυτών των δικτύων είναι περιπεπλεγμένη λόγω της έκτασης, της μορφής και του φαινομένου του σχηματισμού γέλης που είναι στην ουσία εξαιρετικά μεγάλα δίκτυα στο μείγμα αντίδρασης (Ruyter, 1985). Η γεωμετρική κατανομή των ατόμων σε μία αλυσίδα πολυμερούς μπορεί να χωρισθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Εικ. 2.1 Σχηματική αναπαράσταση διακλαδωμένου και δικτύου πολυμερούς 1. Σχήμα ή σειρά καθορισμένη από τη χημική σύνδεση των μορίων όπως αυτή που συναντάται στα ισομερή (d και 1 μορφές) (configuration). Η μορφή του πολυμερούς δεν αλλάζει αν δεν μεσολαβήσει διάλυση και αποκατάσταση χημικών δεσμών. 2. Διάταξη που προκύπτει από την συστροφή στο χώρο απλών δεσμών (conformation). 12

23 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Σε αντίθεση με τα γραμμικώς αναπτυσσόμενα δίκτυα μορίων, τα πολυμερή με διακλαδωμένα δίκτυα παράγονται ως ανεφέρθη από παράπλευρες αντιδράσεις (branching, cross-linking). Στη φάση διαλύματος, όταν η αλυσίδα περικλείεται από μικρά μόρια, ή σε φάση υγρού όπου βρίσκεται σε περιβάλλον με συγγενείς αλυσίδες, το πολυμερές μόριο βρίσκεται σε συνεχή κίνηση λόγω της θερμικής του ενέργειας και επομένως εμφανίζονται πολλές διατάξεις σε σύντομο χρόνο. Κατά τη διάρκεια στερεοποίησης του αυτές οι κινήσεις μειώνονται σημαντικά καθώς εγκαθίστανται ισχυρές δυνάμεις προκύπτουσες από τη δημιουργία δεσμών και οι ιδιότητες του υλικού διαφοροποιούνται. Σε αυτό το στάδιο κατά τη διάρκεια της πτώσης της θερμοκρασίας παρουσιάζεται το φαινόμενο της εμφάνισης της θερμοκρασίας μετάπτωσης κρυσταλλικής φάσης (glass transition temperature, Tg) όπου τα πολυμερή αποκτούν διαφορετικές ιδιότητες από τις μέχρι τότε παρουσιαζόμενες λόγω της ανάσχεσης της μοριακής μικρο-κίνησης (Eliades et al, 2001). Σε θερμοκρασίες χαμηλότερες της τιμής μετάπτωσης τα πολυμερή αποκτούν άμορφη δομή με ιδιότητες που προσεγγίζουν αυτές διαφόρων ανόργανων κρυστάλλων όπως σκληρότητα, ευθραυστότητα και οπτική διαπερατότητα. Η Εικ παρουσιάζει την επίδραση της θρμοκρασίας και μέτρου ελαστικότητας στη ρύθμιση της δομής του υλικού. Σε υψηλές θερμοκρασίες το υλικό αποκτά ασταθή δομή με αποτέλεσμα την απώλεια σταθερότητας. 13

24 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ^^Κατάσταση υψηλής κρυστάλλωσης ρ \ Κατάσταση ιξωδοελαστικότητας Πλατώ ελαστικοΰ^^^^ Ροή ^ \ Θερμοκρασία ίικ. 2.2 Διακύμανση του μέτρου ελαστικότητας με τη άερμοκρασία (από Billmeyer, Textbook of polymer science, Wiley, 1984) Ορισμένες κατηγορίες υλικών που παρουσιάζουν κανονική γεωμετρική δομή έχουν πολύ μικρές ομάδες στη βασική αλυσίδα που να μπορούν να εισχωρήσουν σε μια συγκεκριμένη δομή, κρυσταλλώνονται περαιτέρω και διακρίνονται από την υψηλή αδιαλυτότητά τους και τις εξαιρετικά βελτιωμένες μηχανικές τους ιδιότητες. 2.2 Αντιδράσεις Πολυμερισμού Ο πολυμερισμός σαν φαινόμενο μελετήθηκε και οι τύποι της αντίδρασης ταξινομήθηκαν από τους Carothers και Flory στις δεκαετίες 1930 και 1950, σε δύο ευρύτερες ομάδες αυτήν της συμπύκνωσης και της προσθήκης ή αλυσιδωτής αντίδρασης. Η πρώτη στην ουσία αντιπροσωπεύει την σύντηξη δύο πολύ-λειτουργικών μορίων σε ένα μεγαλύτερο μόριο με ταυτόχρονη απομάκρυνση ενός μικρότερου μορίου συνήθως νερού. Η αντίδραση 14

25 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ συνεχίζεται μέχρι τα αντιδρώντα μέρη εξαφανιστούν και η ισορροπία περαιτέρω ελέγχεται με αυξομειώσεις της θερμοκρασίας. Στην αντίδραση προσθήκης η αλυσιδωτή αντίδραση προωθείται μέσω ενός φορέα που είναι ιόν ή κάποια αντιδρώσα ουσία με αποσυζευγμένο ηλεκτρόνιο που καλείται ελεύθερη ρίζα. Η τελευταία συνήθως παράγεται από την αποδόμηση μιας σχετικώς ασταθούς ουσίας που ονομάζεται ενεργοποιητής και αντιδρά με σκοπό το άνοιγμα των διπλών δεσμών ενός κλειστού δακτυλίου μονομερούς ενώ προστίθεται σ' αυτό με ταυτόχρονη αποσύζευξη ενός ηλεκτρονίου. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται πολλές φορές και το μήκος της αλυσίδας του πολυμερούς αυξάνει έως ότου η αντίδραση τερματιστεί με την συνάντηση και αμοιβαία απενεργοποίηση δύο ελευθέρων ριζών. Συνήθως τα πολυμερή που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο περιέχουν μόνο άτομα Άνθρακα στη βασική αλυσίδα (ομο-αλυσιδωτά) σε αντίθεση με αυτά που προκύπτουν από συμπύκνωση (ετερο-αλυσιδωτά). Πολυμερή προκύπτοντα από αντιδράσεις συμπύκνωσης έχουν μοριακή δομή όπου το επαναλαμβανόμενο μόριο του πολυμερούς στερείται ορισμένων ατόμων σε σχέση με το μονομερές από το οποίο προκύπτει (ή στο οποίο μπορεί να αποδομηθεί), φαινόμενο που δεν συναντάται στα πολυμερή που προκύπτουν από αντίδραση προσθήκης. Ο αρχικός αυτός διαχωρισμός του Carothers το 1929, έρχεται σε αντίθεση με τις παρατηρηθείσες διαφορές του μηχανισμού των πολυμερών από τον Flory. Η σωστή δε περιγραφή των αντιδράσεων αποδίδεται με τους όρους αντίδραση σταδίων και αντίδραση αλύσου παρά την ευρεία διάδοση των άλλων όρων, διότι αυτοί αποδίδουν τα συμβαίνοντα στο μηχανισμό των αντιδράσεων που και είναι οι κύριες διαφορές των δύο τύπων. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει εν συντομεία τις κυριότερες διαφορές των τύπων πολυμερισμού. 15

26 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1 Δ1ΑΤ0ΡΕΣ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΑΛΥΣΟΥ ΚΑΙ ΑΝΤ1ΔΡΑΣΗΣ ΣΤΑΔΙΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΑΛΥΣΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΣΤΑΔΙΩΝ Η ανάπτυξη των επαναλαμβανόμενων Η ανάπτυξη της αλυσίδας γίνεται με την ομάδων γίνεται μόνον μέσω της αντίδραση δύο οποιωνδήποτε μορίων, αντίδρασης και με ρυ8μό μία τη φορά. Η συγκέντρωση του μονομερούς βαίνει Το μονομερές εξαφανίζεται στην αρχή της ελλατούμενη κατά τη διαδικασία της αντίδρασης. αντίδρασης. Το μοριακό Βάρος του πολυμερούς αλλάζει ελάχιστα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Το μοριακό Βάρος του πολυμερούς αυξάνεται σταθερά κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, Το μείγμα των αντιδρώντων αποτελείται Σε κάθε στιγμή της αντίδρασης το μείγμα των από σχηματισμένο πολυμερές, αντιδρώντων εμπεριέχει όλα τα εμπλεκόμενα μονομερές και ΙΟ" 8 μέρη μέρη σε μετρήσιμη τάξη μεγέθους. αναπτυσόμενων αλύσων πολυμερισμός συμπύκνωσης (αντίδραση σταδίων) Στον τύπο αυτό αντίδρασης εν πολλοίς ο ρυθμός της αντίδρασης μιας ομάδας είναι ανεξάρτητος του μεγέθους του μορίου στο οποίο αυτή προσκολλάται. Αυτή η προσέγγιση επιβεβαιώνεται από έρευνες που δεικνύουν ότι οι αντιδράσεις συμπύκνωσης τείνουν να παρουσιάζουν ασύμπτωτες καμπύλες ανεξάρτητες της έκτασης της αλύσου σχετικά γρήγορα και διατηρούν αυτό το πλατώ ακόμα και αν το μέγεθος του μορίου καταστεί μεγάλο. Η στατιστική ανάλυση της αντίδρασης (ρ) ορίζεται ως η πιθανότητα ενός λειτουργικού μορίου να αντιδράσει σε χρόνο t. Επομένως η πιθανότητα να ευρεθεί σε κάθε στιγμή μία μη αντιδρώσα ομάδα είναι 1-ρ. Αν διερευνηθεί η πιθανότητα ένα δεδομένο μόριο τυχαία ορισθέν να περιέχει x επαναλαμβανόμενα μέρη (x-mer), μπορούν να βρεθεί ότι τέτοιο μόριο θα περιέχει χ" 1 αντιδρώντα λειτουργικά μέρη, και στα τελικά στάδια της αντίδρασης ένα (1) μη αντιδρόν μόριο τέτοιου τύπου. Μια και η πιθανότητα να βρεθεί ένα αντιδρόν π.χ. καβοξυ μόριο είναι ρ, η πιθανότητα να βρεθούν χ-1 τέτοιες ομάδες στο ίδιο μόριο θα είναι ρ χ "'. Επομένως η πιθανότητα να βρεθεί όλο το μόριο είναι ρ*" 1 (1-ρ) (Ruyter, 1985). Σε επίπεδο 16

27 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ αριθμού, τα μονομερή είναι τα πιο ευρέως συναντώμενα μόρια καθ' 'όλη τη διάρκεια του πολυμερισμού. Σε επίπεδο μοριακού βάρους, η αναλογία του χαμηλού μοριακού βάρους υλικού είναι πολύ μικρή και μειώνεται περαιτέρω με αυξανόμενο μέσο μοριακό βάρος πολυμερισμός προσθήκης (αντίδραση αλύσου) Κύρια παράμετρος της αλυσιδωτής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα στον τύπο αυτό του πολυμερισμού είναι το γεγονός της ύπαρξης ενός ενεργού κέντρου που αναπαράγει την αλυσίδα το οποίο συνδέεται με ένα πολυμερές μακρομόριο και τις συνδεδεμένες με αυτό μονομερείς ομάδες. Έτσι, πολυμερή μόρια σχηματίζονται εξ αρχής και σχεδόν καμμία ενδιάμεση φάση μορίων μεταξύ αυτών του μονομερούς και πολυμερούς δεν επικρατεί στην αντίδραση. Ώς ενεργό κέντρο έχουν χαρακτηριστεί πιθανόν κατιόντα, ανιόντα και ελεύθερες ρίζες, τα οποία προσβάλλουν τον διπλό δεσμό άνθρακα λόγω της μη ιδιαίτερης σταθερότητας του. Δύο πολύ συνηθισμένες μέθοδοι δημιουργίας ελευθέρων ριζών είναι αυτές της θερμικής ή φωτοχημικής αποδόμησης του υπεροξειδίου του βενζολίου και αυτή του αζοβισισο-βοτυρο-νιτριλίου. Οι παραγόμενες ελεύθερες ρίζες διαφέρουν ως προς το επίπεδο ενεργότητας τους, μια και οι πρωτογενείς είναι πιο ασταθείς και πιο ενεργές από τις δευτερογενείς κ.ο.κ. Αν και τα επίπεδα ενεργότητας παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση, συνήθως η ενεργοποίηση της διαδικασίας πολυμερισμού απαιτεί ρυθμό θερμικής αποδόμησης ΙΟ* 5 -ΙΟ" 6 sec" 1. Μολονότι η θερμική αυτή αποδόμηση είναι ίσως η πιο κοινή μέθοδος παραγωγής ριζών, το βασικό της μειονέκτημα έγκειται στην αδυναμία ελέγχου του ρυθμού σχηματισμού τους. Φωτοπολυμεριζόμενα συστήματα καθώς και ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας καλύπτουν αυτές τις ανάγκες. Ελεύθερες ρίζες παράγονται επίσης και κατά 17

28 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ τις οξειδο-αναγωγικές αντιδράσεις όπως και με ηλεκτροχημικούς ενεργοποιητές μέσω ηλεκτροδίων. Όταν μία ελεύθερη ρίζα δημιουργηθεί, προστίθεται στο διπλό δεσμό με ταυτόχρονη δημιουργία άλλης ελεύθερης ρίζας. Η ικανότητα αυτών των ριζών να αντιδρούν εκτιμάται από την σύγκριση της ποσότητας του ενεργοποιητή που αποδομείται με τον αριθμό των παραγομένων πολυμερών αλυσίδων, και αυτή συνήθως κυμαίνεται από 0.6 έως 1.0, δηλαδή 60%-100% των παραγομένων ριζών επιτείνουν την αντίδραση. 2.3 Δομή και ιδιότητες ΡΜΜΑ Γενικά η βασική χημική δομή της επαναλαμβανόμενης ομάδας των ακρυλικών πολυμερών έχει τη μορφή [-(CH2-C-R-COOR2) n -] Η βασική διαφορά μεταξύ του πολυμεθακρυλίου (ΡΜΑ) και του πολυμεθακρυλικού μεθυλίου (ΡΜΜΑ) έγκειται στην R ομάδα, η οποία είναι Η για το ΡΜΑ και το CH3 για το ΡΜΜΑ (Billmeyer, 1984). Τα πολυμερή αυτά ακολουθούν πολυμερισμό προσθήκης (ή ελευθέρων ριζών) με διάφορες μεθόδους όπως διαλύματος, στερεού, γαλακτώματος, εναιωρήματος και κοκκώδους μορφής, είναι διαθέσιμα σε μορφή ράβδων ή φύλλων, και είναι τα κλασικά υλικά εγκιβωτισμού σκληρών ουσιών (οστών και δοντιών) για ιστολογική και μηχανική μελέτη. 18

29 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ CH 2 =C-COOCH 3 m^>-ch 2 CH 3 CH CH C- CH 2 - C COOCH, COOCH, Εικ Μεδακρυλικό με8ύλιο και το πολυμερές πολύμε8α8α5ρυλικό μεδύλιο ΡΜΜΑ) Το πολυμεθακρυλικό μεθύλιο είναι ένα γραμμικό πολυμερές με περίπου 70% συνδιοτακτικότητα. Γενικά η στερεοκανονικότητα ή στερεοταξία (stereoregularity) των πολυμερών ορίζεται με βάση την θέση των αλύσων και ομάδων σε σχέση με την κεντρική άλυσο. Έτσι ένα πολυμερές είναι ισοτακτικό όταν όλες οι ομάδες βρίσκονται άνω ή κάτω της κεντρική αλύσου, ενώ συνδιοτακτικό καλείται αυτό του οποίου οι ομάδες φέρονται εναλλάξ ανά μία άνω και κάτω της αλυσίδας. Το ΡΜΜΑ επί πλέον λόγω των βαρέων πλευρικών ομάδων και της ατελούς στερεοταξίας του μορίου του είναι άμορφο. Η Εικ. 2.4 παρουσιάζει τη διακύμανση του μέτρου ελαστικότητας με το χρόνο για διάφορους τύπους δομής πολυμερών. 19

30 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ~-.._ Ισοτακτική δομή ΓραμμίΚ 9 LogG(t) dynes/cm 2 Διακλαδο>μξνη δομή g Log χρόνος (ώρες) Ιικ Σχέση δομής και μέτρου ελαστικότητας για πολυμερή (από Billmeyer, Textbook of polymer science, Wiley, 1984) Λόγω όμως ακριβώς της ύπαρξης αυτών των ιδιαιτέρως βαρειών αλυσίδων στα άκρα της βασικής ομάδας το ΡΜΜΑ έχει αφ' ενός εξαιρετική οπτική διαπερατότητα (92%) και υψηλό δείκτη διάθλασης (1.49), αφ' εταίρου παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή από το ΡΜΑ (60 έναντι 7 MPa) όπως επίσης και υψηλότερη θερμοκρασία στην οποία καθίσταται ελαστικό (123 έναντι 33 C). Η πιό κοινή εφαρμογή του ΡΜΜΑ λαμβάνει χώρα στην κατασκευή βάσεων οδοντοστοιχιών και κυρίως στην ακινητοποίηση του στελέχους του εμφυτεύματος της αρθροπλαστικής ισχίου. Το τσιμέντο όπως ευρέως αποκαλείται το ΡΜΜΑ αποτελείται από σκεύασμα σκόνης ΡΜΜΑ και μονομερές υγρό μεθυλ-μεθακρυλικό μεθύλιο. Στο εμπόριο η βασική σύσταση μπορεί ελαφρά να μεταβληθεί. Σύμφωνα με την περιγραφή του 20

31 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ακτινοσκιερού σκευάσματος Surgical Simplex το τσιμέντο αποτελείται από μείγμα αποτελούμενο από υγρό με σύσταση: μεθυλ-μεθακρυλικό μονομερές 97.4 % (κ.ο) Ν, Ν-διμεθυλ-ρ-τολουϊδίνη 2.6 % Υδροκινόνη 75 ppm και σκόνη που περιέχει Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο 15.0% (κ. β) συμπολυμερές 75% Θειικό Βάριο 10%. Η υδροκινόνη προστίθεται στο μείγμα ως αναστολέας πολυμερισμού για να αποτραπεί έναρξη της αντίδρασης του πολυμερισμού λόγω έκθεσης σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η Ν,Ν-διμεθυλ-ρ-τολουϊδίνη λειτουργεί ως επιταχυντής τού εν ψυχρώ πολυμερισμού. Ωστόσο η αναλυτική σύνθεση διαφόρων τύπων τσιμέντου φανερώνει την σχετική ανομοιογένεια σε πρόσθετες ουσίες. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις συνθέσεις των 5 πιο διαδεδομένων εμπορικών σκευασμάτων τσιμέντου. Συστατικό Σκόνη ΒΡΟ BaS0 4 Zr0 2 Χλωροψύλλη (ppm) ΡΜΜΑ Ρ(ΜΜΑ/ΜΑ) P(MMA/ST) Μονομερές Ν,Ν-DMPT Υδροκινόνη (ppm) ΜΜΑ Αιδανόλη Ασκορβικό οξύ Χλωροψύλλη (ppm) ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2 ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΜΠΟΡΙΚΩΝ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΩΝ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ CMW-1 CMW-3 Palacos R Simplex Ρ " Zimmer R Σ'ύν8εση w/w εκτός από όπου δεικνύεται άλλως. ΒΡΟ: υπεροξείδιο του βενζολίου, ΡΜΜΑ: πολυμεθακρυλικό μεδύλιο, Ρ(ΜΜΑ/ΜΑ): πολυμεαυλ μεδακρυλικό μεαακρυλικό, DMPT: διμε8υλο-ρτολουϊδίνη, ST: στυρένιο 21

32 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των ιδιοτήτων του υλικού παίζει ο λόγος σκόνης υγρού. Αύξηση του λόγου επιφέρει αντίστοιχη αύξηση του ενεργοποιητή που περιέχεται στη σκόνη με αποτέλεσμα την ελάττωση του χρόνου πήξεως. Ταυτόχρονα λόγω αυξημένης διαθέσιμης επιφάνειας σκόνης, ο πολυμερισμός επιταχύνεται περαιτέρω, ενώ αντίθετα επέρχεται μείωση της μεγίστης θερμοκρασίας της εξώθερμης αντίδρασης, μια και δυναμικά το διαθέσιμο υγρό μειώνεται. Μια γενική θεώρηση των παραμέτρων που επηρεάζουν τις ιδιότητες του τσιμέντου εμφαίνεται στον πίνακα 2.3. ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3 _ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΜΙΞΗΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ Σύσταση μονομερούς και σκόνης Μέγεθος κόκκων, σχήμα και κατανομή σωματιδίων σκόνης Λόγος μονομερούς/σκόνης ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ Περιβάλλον μίζης θερμοκρασία, υγρασία, σκεύος μίξης Τεχνική μίξης ρυθμός και αριθμός κρούσεων με σπάτουλα Περιβάλλον πολυμερισμού θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, επιφάνειες επαφής (ιστοί, αέρας, νερό) Η Εικ. 2.4 παρουσιάζει την επίδραση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος χώρου στο ρυθμό μεταβολής του ρυθμού πολυμερισμού του ΡΜΜΑ, όπου φαίνεται σημαντική αύξηση της κλίσης της καμπύλης για διαφορές 10 C. 22

33 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ % Πολυμερισμός Χρόνος (sec) Εικ Καμπύλη πολυμερισμού και φαινόμενο αυτοεπιτάγχυνσης του ρυθμού πολυμερισμού σε υψηλότερες θερμοκρασίας για το ΡΜΜΑ (από Billmeyer, Textbook of polymer science, Wiley, 1984) Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του τσιμέντου. Περισσότερα για την κλινική εφαρμογή του τσιμέντου και τις μεθόδους παρασσκευής, ανάμιξης και προσμίξεων με βάση την κλινική συμπεριφορά αναλύονται στο κεφ. 4 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.4 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ Εφελκυστική αντοχή (MPa) Συμπιεστική Αντοχή (MPa) Μέτρο ελαστικότητας (MPa) Οριο Αντοχής (% εφελκυστικής αντοχής) Πυκνότητα (g/cm 3 ) Απορροφητικότητα ύδατος (%) Συστολή Πολυμερισμού (%)

34 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ III ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ 3.1 Γενικά Κατά το νόμο του Hooke, η εφαρμοζόμενη τάση σε ένα σώμα εν πολλοίς αναλογεί με την προκαλούμενη παραμόρφωση. Η σταθερά αναλογίας καλείται ελαστική σταθερά και είναι αντιστρόφως ανάλογη της ενέργειας σύζευξης δύο ατόμων με δυνάμεις που προκύπτουν από τους διαφόρους τύπους δεσμών. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει συγκριτικά σχετικές ενέργειες σύζευξης διαφόρων ατομικών δεσμών. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΖΕΥ: ΙΗΣ ΔΕΣΜΩΝ (Kcal/mol) Ομοιοπολικός Ηλεκτροστατικός Ισχυρή Επαγωγή Δυνάμεις van der Waals Ασδενής Επαγωγή Οι μηχανές δοκιμασιών που ευρέως χρησιμοποιούνται στη μελέτη των μηχανικών δοκιμασιών στα υλικά περιλαμβάνουν κυρίως δύο κατηγορίες: οδηγούμενες από κίνηση και σερβουδραυλικές με βάση το μηχανισμό μετακίνησης της κυψέλης και εφαρμογής φορτίου στο δοκίμιο. Ειδικοί αισθητήρες της κυψέλης παρέχουν πληροφορίες για την διακύμανση της δύναμης (κάθετος άξονας συνήθως) σε σχέση με το χρόνο (οριζόντιος άξονας). Οι δεύτερες (αρχικά κατασκευασμένες από την Instron Corporation, Canton, MA, Η.Π.Α.) έχουν μία μεγάλη κοχλιούμενη πρόθεση ενώ οι σερβουδραυλικές (αρχικά κατασκευασμένες από την MTS Systems Corporation, St. Paul, MN, Η.Π.Α.) χρησιμοποιούν την πίεση μιας αντλίας λαδιού σε ένα υδραυλικό έμβολο για να μετακινήσουν την κεφαλή. 24

35 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Αμφότερες οι μηχανές συνήθως αποκαλούνται και μηχανές σταθερού ρυθμού παραμόρφωσης επειδή ο χρόνος φόρτισης του δοκιμίου καθορίζεται από τον χρήστη. Ο καθορισμός του ρυθμού φόρτισης παίζει σημαντικό ρόλο στην έρευνα των υλικών και των βιολογικών υλικών τα οποία παρουσιάζουν μεγάλο εύρος διακύμανσης τιμών ανάλογα με το ρυθμό φόρτισης. όπου: Η μαθηματική έκφραση της σχέσης τάσης-παραμόρφωσης εκφέρεται ως σ = Εε σ είναι η τάση (δύναμη ανά μονάδα επιφανείας) ε η παραμόρφωση αναφορικά με την αρχική διάσταση [(Δ1-1ο)/1ο], και Ε είναι το μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο Young Το τελευταίο εξαρτάται από το μέτρο διάτμησης (G) για ένα ισοτροπικό υλικό μέσω του λόγου Poisson, (ν) με τη σχέση (Callister, 1997) 20+") Η ικανότητα ενός υλικού να ανθίσταται στατική φόρτιση μπορεί να εκτιμηθεί από προτυποποιημένες δοκιμασίες εφελκυστικής, συμπιεστικής και διατμητικής αντοχής. Η κλασσική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης που καταγράφεται από διάγραμμα φορτίου μετατόπισης, περιγράφει και το όριο αντοχής (yield point) στις ελαστικές και πλαστικές περιοχές. Στην πρώτη, η παραμόρφωση μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση, στην πλαστική ωστόσο, αυτό δεν ισχύει και το υλικό δεν επανέρχεται στις αρχικές του διαστάσεις αλλά παραμορφώνεται μόνιμα. 25

36 ΓΕΝΙΚΟ Μ ΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Σημείο διαρροής Φορτίο 0 2% offset Παραμόρφωση Εικ Κλασσική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης Επιμήκυνση στη θραύση Επιμήκυνση κατά το όριο αντοχής Τάση Αντοχή Τάση αντοχής Παραμόρφωση ικ Καμπύλη τάσης πραμόρφωσης για πολυμερή υλικά σε εφελκυσμό 26

37 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Η μέγιστη τάση τυπικά ακολουθείται από μια εμφανή μείωση μέχρις ένα σημείο όπου το υλικό ενδίδει. Αυτό είναι το όριο αντοχής ενώ το τελικό όριο όπου λαμβάνει χώρα πλήρης θραύση καλείται αντοχή θραύσης. Ενώ σε ορισμένα υλικά όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας παρουσιάζεται ευδιάκριτο σημείο αντοχής, άλλα απαιτούν τον ορισμό ενός σημείου (π.χ. 0.2%) ως αναφορά συγκριτικών μετρήσεων για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Η αντοχή στη θραύση ορίζεται ως το ποσό ενέργειας που απαιτείται για την θραύση του και εξαρτάται από την τάση και την παραμόρφωση. Ένας πρακτικός τρόπος ανεύρεσης του μεγέθους από διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης είναι ο υπολογισμός του εμβαδού που περικλείεται από την καμπύλη και το άξονα. Εξ ορισμού υλικά που δεν ενδίδουν σε υψηλές τάσεις αλλά παραμορφώνονται μόνιμα (ελατά) είναι σκληρότερα από αντίστοιχα που ανθίστανται σε τάσεις αλλά δεν υπόκεινται σε παραμόρφωση (εύθραυστα) ή άλλα που παραμορφώνονται αλλά δεν αντέχουν σε υψηλές τάσεις (μαλακά ή πλαστικά υλικά). Οι ασκούμενες τάσεις ως διανυσματικά μεγέθη περιγράφονται από το μέτρο, διεύθυνση και φορά ωστόσο, ταξινομούνται αναλόγως κυρίως της κατεύθυνσης τους ως εφελκυστικές, διατμητικές και συμπιεστικές και αναλόγως προκαλούν αντίστοιχες παραμορφώσιες. Παρ' όλα αυτά οι συνήθεις τάσεις που αναπτύσσονται σε υλικά υπό φόρτιση σε πραγματικές συνθήκες είναι σύνθετες. Παραδείγματος χάριν όταν ένα σύρμα διατείνεται, τα άτομα ολισθαίνουν το ένα επί του άλλου, κι έτσι ενώ η πειραματική εξακρίβωση αναφέρεται σε εφελκυστικές τάσεις, συνυπάρχει και συνιστώσα διατμητικών δυνάμεων. Η σκληρότητα αντιπροσωπεύει την μέτρηση της πλαστικής παραμόρφωσης και εκφράζεται ως δύναμη ανά μονάδα επιφανείας που προκαλεί μεταβολή ή εντύπωμα και επομένως έχει διαστάσεις τάσεις. Οι πιό συχνές δοκιμασίες σκληρότητας είναι οι Brindi, 27

38 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Rockwell, Vickers, και Κηοορ αν και οι διαφορές τους περιορίζονται στο μέγεθος και σχήμα των μέσων πρόκλησης εντυπωμάτων στις δοκιμαζόμενες επιφάνειες. Ο ερπυσμός (creep) ενός υλικού μετριέται με την εφαρμογή σταθερού φορτίου εκτιμώντας την παραμόρφωση σε σχέση με το χρόνο. Η προκαλούμενη ελαστική παραμόρφωση ακολουθείται από πρωτοταγή ή δευτεροταγή ερπυσμό που είναι εν μέρει αντιστρεπτός πριν επέλθει σταθερός ερπυσμός (steady-state) και τελικά θραύση. Η αντίσταση στην φθορά ή αποτριβή (wear) αποτελεί και ιδιότητες σημαντικές για υλικά ενδοπροθέσεων είναι απόρροια του φαινομένου της τριβής μεταξύ επιφανειών (Black, 1981). Όταν δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή η πραγματική επιφάνεια επαφής που είναι οι κορυφές των ανωμαλιών της διατομής τους διαφέρει από την φαινομενική που λογίζεται ως αντίστοιχη του εμβαδού της επιφάνειας τους. Επί πλέον, σε πραγματικά υλικά περιγράφεται αύξηση της επιφάνειας επαφής με την αύξηση του φορτίου φαινόμενο που μεγεθύνεται στα ελατά και ελαστικά υλικά. Μπορεί να υπολογιστεί ότι ο συντελεστής της τριβής ολίσθησης εξαρτάται από τον λόγο του ορίου διατμητικής αντοχής προς την σκληρότητα διείσδυσης και επομένως φαίνεται ότι οι πλαστικές παράμετροι του πιο αδύνατου υλικού είναι σημαντικές. Το φαινόμενο έτσι είναι ανεξάρτητο της έκτασης, σχήματος αδρότητας της επιφάνειας επαφής. Οι τύποι της φθοράς που περιγράφονται περιλαμβάνουν την διαβρωτική ή οξειδωτική λόγω χημικών αντιδράσεων, την επιφανειακής κόπωσης από φορτίο, και αυτήν της συγκόλλησης όπου σωματίδια από το ένα σώμα συγκολλούνται στο άλλο και η οποία είναι σημαντική για την επιλογή υλικών ενδοπροθέσεων. 28

39 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Η κόπωση (fatigue) ως μηχανικό φαινόμενο κατηγοριοποιείται σε διάφορα στάδια ανάλογα με το εύρος της επικείμενης καταστροφής και τους μηχανισμούς της. Η πρόοδος της βλάβης ακολουθεί εν γένει τα στάδια (Suresh, 1991): α) Αλλαγές μικροδομής που προκαλούν πυρήνωση της μόνιμης βλάβης. β) Δημιουργία μικροσκοπικών ρωγμών. γ) Ανάπτυξη και πρόοδο των μικροσκοπικών ατελειών που δημιουργούν εκτεταμένες ρωγμές που μπορεί να οδηγήσουν σε καταστροφή. Πρακτικά, το στάδιο αυτό αποτελεί την συνέχεια της ανάπτυξης και επέκτασης των ρωγμών. δ) Σταθερή συνέχεια του έργου της ρωγμής. ε) Δομική αστάθεια και τέλεια καταστροφή. Οι συνθήκες που εξαρτούν το ρυθμό εισαγωγής κάθε σταδίου σχετίζονται με μηχανικές, δομικές και περιβαλλοντολογικές ιδιότητες των εμπλεκομένων υλικών. Οι μέθοδοι μελέτης του φαινομένου βασίζονται σε διαφορετικές φιλοσοφίες και ανάγκες ανάλογα με την προοπτική του ενδιαφέροντος από τον μελετώντας το φαινόμενο (μηχανικοί, επιστήμονες υλικών, κ.τ.λ.), ωστόσο διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες. α) Προσέγγιση ολικής διάρκειας ζωής (total life approach), στην οποία καταγράφεται ο συνολικός αριθμός κύκλων τάσεων ή παραμορφώσεων ικανών να προξενήσει καταστροφή λόγω κόπωσης όπως αυτή εκφέρεται με την ανάπτυξη ρωγμών σε προτυποποιημένα δοκίμια υλικών ελεύθερα ατελειών. Πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις έχουν μελετηθεί και προταθεί για την εισαγωγή στο μοντέλο παραγόντων που σχετίζονται με πολυαξονικές τάσεις, περιβάλλοντα στοιχεία, συγκεντρώσεις τάσεων λόγω σχεδίασης κ.α. Υπό χαμηλή τάση σε πολλαπλούς κύκλους φόρτισης, το υλικό παραμορφώνεται κατ'αρχήν ελαστικά και η 29

40 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ διάρκεια ζωής σχετίζεται με τα εύρος διακύμανσης της εφαρμοζόμενης τάσης. Ωστόσο, σε χαμηλό αριθμό φορτίσεων, απαιτείται μεγαλύτερη τάση που συνήθως παραμορφώνει πλαστικά το υλικό πριν τη θραύση του. Σε αυτές τις συνθήκες η διάρκεια ζωής σχετίζεται με το εύρος διακύμανσης της προκαλούμενης παραμόρφωσης. Το τελευταίο μοντέλο χρησιμοποιείται περισσότερο στη βιομηχανία κατασκευής μηχανημάτων λόγω της καλής συσχέτισης του με πραγματικές συνθήκες και της υψηλής προβλεψιμότητάς του. β) Προσέγγιση ανοχής βλάβης (defect-tolerant approach) της οποίας ο βασικός άξονας είναι η παραδοχή ότι κανένα υλικό δεν είναι τέλειο και όπου το εύρος των προϋπαρχόντων ατελειών του υλικού συνήθως ανευρίσκεται με μη επεμβατικές τεχνικές (υπέρηχοι, ακτίνες Χ, ακουστικές και μαγνητικές μέθοδοι). Εάν δεν βρεθεί ατέλεια στο δοκίμιο, τότε αυτό υφίσταται δοκιμασίες με εφαρμογή τάσεων ανώτερων των αναμενόμενων. Εάν και πάλι δεν προξενηθεί θραύση, υπολογίζεται το εύρος του μεγαλύτερου crack και καταγράφεται ο αριθμός των κυκλικών φορτίσεων ικανός να επεκτείνει το αρχικό ελάττωμα σε μια κρίσιμη διάσταση. Αν και σημαντικές διαφορές μεταξύ των μεθόδων διαφαίνονται, κάθε μία εξυπηρετεί συγκεκριμένες ανάγκες που προκύπτουν από τη χρήση διαφόρων υλικών. Παρ όλα αυτά κάθε μοντέλο πρέπει να εκλογικοποιεί τα ακόλουθα χαρακτηριστικά κόπωσης: Το φαινόμενο Bauschinger κατά το οποίο μετά από ορισμένη πλαστική παραμόρφωση κατά μία διεύθυνση προκαλούμενη από συμπιεστικές ή εφελκυστικές τάσεις, το υλικό ενδίδει σε τάσεις μικρότερες με αναστροφή της διεύθυνσης φόρτισης σε σχέση με αυτές που θα προκαλούσαν το ίδιο αποτέλεσμα κατά την διατήρηση της διεύθυνσης φόρτισης.

41 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Κυκλική σκλήρυνση ή αντίθετα προκαλούμενη μαλάκυνση λόγω συγκεκριμένης αναδιάταξης μοριακής δομής και κοκκωδών ορίων ειδικά σε πολυκρυσταλλικά στερεά. Κυκλικό ερπυσμό όπου η πλαστική παραμόρφωση αρθροίζεται κατά μία διεύθυνση σε κάθε κύκλο φόρτισης. Μέση ομαλοποίηση τάσης όπου η μέση τάση σε δοκίμιο υφιστάμενο κόπωση κάτω από ελεγχόμενη παραμόρφωση τείνει στο μηδέν με την αύξηση της κυκλικής παραμόρφωσης. Γενικά όταν η παραμόρφωση των δεσμών καταστεί πολύ μεγάλη, η ακολουθία του φαινομένου τάσης-παραμόρφωσης παρεκλίνει από το νόμο του Hooke. 3.2 Ρεολογική Συμπεριφορά Υλικών Η ρεολογική συμπεριφορά των πολυμερών έχει σχέση με τη δομή και τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών και περιλαμβάνει διάφορα φαινόμενα που αντικατοπτρίζουν αντίστοιχους βασικούς μοριακούς μηχανισμούς διασύνδεσης. Τα φαινόμενα αυτά και οι μηχανισμοί έχουν ως ακολούθως: α) Viscous flow (ροή ιξώδους ή γλοιώδης ροή) που περιγράφει την μη αντιστρεπτή παραμόρφωση πολυμερών λόγω ολίσθησης των μοριακών αλυσίδων πέραν του ορίου επαναφοράς. Εάν το ιξώδες είναι ανεξάρτητο του ρυθμού αυτού τότε το υγρό ορίζεται ως Νευτώνειο ή έχον ιδανική συμπεριφορά ροής. Ωστόσο τα πραγματικά υγρά παρουσιάζουν δύο τύπους απόκλισης από τα ιδανικά (Callister, 1997). Ο ένας αναφέρεται ως ψευδοπλαστικά ή αραιούμενα διατμητικώς και στα οποία η εξασκούμενη δύναμη παρενοχλεί τις μακρές αλύσους από την επιλεγμένη θέση ισορροπίας 31

42 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΏΝ τους προκαλώντας επιμηκύνσεις κατά την κατεύθυνση της διατμητικής δύναμης. Η άλλοτε άλλου βαθμού εμφανιζόμενη παραλλαγή αυτού του τύπου που είναι η αντιστροφή του πρώτου και ορίζεται ως συμπεριφορά αυξημένου ιξώδους διατμητικώς ή διατατικής συμπεριφοράς δεν συναντάται στα πολυμερή. Η δεύτερη απόκλιση από τα Νευτώνεια υγρά είναι η εμφάνιση ενός κριτικού σημείου τάσης στο οποίο πρέπει να ανέλθει αυτή για την δημιουργία ροής. Τα παραπάνω φαινόμενα είναι εξαρτώμενα από την διατμητική τάση αλλά ανεξάρτητα του χρόνου. Ωστόσο μερικά υγρά παρουσιάζουν αλλαγές στον τρόπο ροής κάτω από σταθερό φορτίο σε σχέση με το χρόνο. Όταν το ιξώδες μειώνεται σε σχέση με το χρόνο το υλικό καλείται θιξοτροπικό, ενώ όταν αυτό αυξάνεται λέγεται ρεοπηκτικό. Η θεωρητική στοιχείωση αυτών των φαινομένων απαρτίζεται από ερμηνείες με βάση την κρυσταλλογραφική δομή των υλικών όπου συναντώνται οπές ή διάκενα στο χώρο και τα οποία πληρούνται από μόρια κατά τυχαίο τρόπο. Κάτω από φορτίο η πιθανότητα πλήρωσης κενού από ένα μετακινούμενο μόριο είναι μεγαλύτερη όταν το μόριο αυτό κινείται κατά την κατεύθυνση που αντιρροπεί την τάση. Το όλο φαινόμενο εξαρτάται από το μοριακό βάρος (έκταση αλύσων) και τη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το υλικό. Η Εικ. 3.3 παρουσιάζει τη σχέση μοριακού βάρους και θερμοκρασίας ως προς την αλλαγή της σχετικής ροής και δομής του πολυμερούς. 32

43 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ T C Ευκίνητα υγρό / Ροή ιξώδους / Ελαστικό πολυμερές Σκληρό πλαστικό Κρυσταλλικό στερεό 10 1, ,000 Μοριακό Βάρος Εν μέρει κρυσταλλικό Πλαστικό πολυμερές Ι 10,000,000 Εικ Επίδραση της δερμοκρασίας και του μοριακού Βάρους στη δομή και συμπεριφορά του πολυμερούς α) Rubberlike elasticity (ελαστικότητα) όπου η εντοπισμένη σχετική ελευθερία κίνησης αναφορικά με μικρής τάξης μεγέθους κίνησης των αλυσίδων παραμένει, ωστόσο ευρείας κλίμακος κινήσεις όπως η ροή αναστέλεται από την δομή τού διαχεόμενου στη μάζα τού υλικού, πολυμερούς δικτύου. Το φαινόμενο αφορά κυρίως ελαστομερή πού μπορούν αν διατείνονται μέχρι 1000%. β) Viscoelasticity (γλοιοελαστικότητα) κατά την οποία η παραμόρφωση του υλικού είναι αναστρέψιμη αλλά χρονο-εξαρτώμενη και οφείλεται σε κινήσεις αλύσων γύρω από χημικούς δεσμούς. Κατά την αρχή επαλληλίας του Boltzmann η παραμόρφωση μεταβάλλεται με κινητική πρώτου βαθμού σε σχέση με την τάση, ούτως ώστε η ολική επίδραση της εφαρμογής πολλαπλών τάσεων να ισούται με την επίδραση που προκύπτει από το άθροισμα αυτών. Η αρχή αυτή επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σε σχέση με τις μηχανικές 33

44 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ιδιότητες άμορφων πολυμερών από περιορισμένα πειραματικά δεδομένα. Αύξηση της θερμοκρασίας επιφέρει επιτάχυνση της μοριακής κίνησης φέρνοντας το σύστημα ταχύτερα σε ισορροπία και επιταχύνοντας όλα τα φαινόμενα που σχετίζονται με γλοιοελαστικότητα. Μερικές παράμετροι του φαινομένου ορίζονται παρακάτω. Ο χρόνος εξισορρόπησης τάσης (relaxation time) ορίζεται ως η απαιτούμενη σταθερά χρόνου που επιφέρει συγκεκριμένη αντίδραση. Εάν η παραμόρφωση διακοπεί κατά τη διαδικασία καταγραφής μιας καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης, η τάση μειώνεται σε σχέση με το χρόνο μέχρις ότου το σύστημα έρθει σε ισορροπία κάτω από την επιβαλλόμενη υπάρχουσα παραμόρφωση. Εξ αντικειμένου αυτό είναι το πείραμα εξισορρόπησης τάσης (stress relaxation). Το φαινόμενο που παρουσιάζεται κατά την προοδευτικά αυξανόμενη παραμόρφωση κάτω από σταθερό φορτίο, μελετάται μέσω εφαρμογής σταθερού φορτίου και καταγραφής της σχέσης χρόνου-παραμόρφωσης για μακρά διαστήματα που φθάνουν και 1 έτος. Έτσι βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στη μελέτη πλαστικών παραμορφώσεων υλικών. Η θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου χρησιμοποιεί την επίδραση της θερμικής κίνησης στον προσανατολισμό των μορίων του πολυμερούς. Όταν μια μηχανική φόρτιση ασκηθεί σε ένα υλικό αυτή επιφέρει παραμορφώσεις των αλύσων και η εντροπία του συστήματος μειώνεται, ενώ αντίστοιχα η ελεύθερη ενέργεια αυξάνει. Εάν το πολυμερές διατηρηθεί στην παραμορφωμένη του κατάσταση, οι μοριακές παραμορφώσεις εξαλείφονται και η επί πλέον ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα. Η διαδρομή που ακολουθείται προς εξάλειψη των δομικών αλλαγών που υπέστη το πολυμερές περιλαμβάνει ένα σύνολο κινήσεων των οποίων οι απαιτήσεις ποικίλουν ανάλογα με την έκταση τους. Έτσι, η μετατόπιση ολοκλήρου του μορίου απαιτεί μεγάλη συνεργασία των μορίων, η κίνηση των άκρων των αλύσων σε 34

45 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ αντίθετες κατευθύνσεις μικρότερη κ.τ.λ. Κάθε μιά από αυτές τις κινήσεις έχει τον δικό της χρόνο εξισορρόπησης και είναι τέτοιας ποικιλίας και έκτασης, έτσι ώστε το σύνολο αυτών των χρόνων απαρτίζει μια κανονική κατανομή. δ) Hookean elasticity (προτυποποιημένη ελαστικότητα κατά Hooke) όπου παρουσιάζεται ολική σχεδόν ανάσχεση της κίνησης των μορίων και αυτή δραστικά περιορίζεται στην διάταση δεσμών και αλλοίωση της γωνίας τους, ούτως ώστε κατά τη φάση αυτή το υλικό συμπεριφέρεται ως ύαλος. Μία ιδιότητα που συσχετίζεται με τη κατάσταση υάλου είναι η μικρή τιμή του συντελεστή θερμικής διαστολής. Αυτό προκύπτει από την αλλαγή της κλίσεως της καμπύλης όγκου/θερμοκρασίας στο σημείο που ονομάζεται θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (glass transition temperature-tg). 35

46 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ (PAI) 4.1 Ιστορικά-Χρήση του ΡΜΜΑ στην Ο ΑΙ Το ΡΜΜΑ με τη γνωστή του μορφή συνετέθη για πρώτη φορά το 1843 και το 1937 πρωτο-χρησιμοποιήθηκε για βάσεις οδοντοστοιχιών σε ανθρώπους. Ο Judet το εισήγαγε στην αρθροπλαστική της κεφαλής του μηριαίου το 1946 ενώ ο Zander πρώτος το εφήρμοσε σε κρανιοπλαστική το Αν και οι αναφορές της χρήσης του στην αρθροπλαστική ισχίου του δείχνουν ως πρωτοπόρους τους Kiaer και Haboush το 1952, η πατρότητα της τεχνικής αποδίδεται στον Charnley ο οποίος και έκανε τις πρώτες αρθροπλαστικές με ΡΜΜΑ και ανέφερε σχετικά ευρήματα και παρατηρήσεις σε ευρύ δείγμα ασθενών. Ανευρίσκοντας τη δυσκολία της τεχνικής και το δυσεπίλυτο πρόβλημα της αναγκαιότητας εμβάθυνσης σε πλήθος διαφορετικών τομέων όπως η βιολογία του οστού, υλικά, τεχνικοί παράγοντες και μηχανική, ο Charnley, ήταν υπέρ της εξειδίκευσης στην αρθροπλαστική ώστε ο χειρουργός να καταφέρει να εκτεθεί σε πολλές απόψεις του θέματος γνωρίζοντας το σφαιρικά. Τη φιλοσοφία του ασπάστηκαν πλήθος σχολών των οποίων οι επικεφαλής μέσω των δραστηριοτήτων τους (εκδόσεων βιβλίων, δημοσιεύσεων και σεμιναρίων) ρύθμιζαν τις τάσεις εκπαίδευσης στην Αμερικανική -τουλάχιστον- ήπειρο. Έτσι ο Eftekhar (1978) ακολουθώντας το σκεπτικό αυτό στο Columbia ήδη από τις αρχές του '70 όριζε τη συμμετοχή σε επεμβάσεις ως τον απαιτούμενο αριθμό χειρουργείων για τους ειδικευόμενους, αριθμός που συμπληρωνόταν από αρθροπλαστικές κατά τη διάρκεια διαφόρων fellowships. Ο Charnley εισήγαγε επίσης το σκεπτικό της πρόθεσης χαμηλής τριβής (Charnley LFA, Low- Friction Arthroplasty) με την τεχνική της εισαγωγής μικράς διαμέτρου κεφαλής μηριαίου 36

47 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ αρθρωμένης με μεγάλου πάχους κοτύλη και αντικατάσταση του τετραφθοροαιθυλαινίου που χρησιμοποιείτο έως τις αρχές του 60 για την κατασκευή των κοτυλών, με το υψηλής πυκνότητας και πολύ υψηλού μοριακού βάρους (Ultra High Molecular Weight) πολυαιθυλένιο που εφαρμόστηκε στην ορθοπαιδική το 1962 (Wroblewski and Siney, 1993). Αυτού του τύπου η πρόθεση θεωρείται πλέον σταθερά αναφοράς για τις μελέτες επιβίωσης της αρθροπλαστικής. Η αντιμετωπιζόμενη αρχικά δυσκολία στην τεχνική της μεθόδου ήταν τέτοιου βαθμού που ο ίδιος απαιτούσε την ιδιαίτερη εξάσκηση και εκπαίδευση των χρηστών της πριν την εφαρμογή της από αυτούς, και μόλις το 1970 την κατέστησε προσιτή στον ευρύ επιστημονικό κύκλο. 4.2 Γενικά Η πρόγνωση της ΟΑΙ αν και εξαρτάται από αλληλεπιδράσεις πολλών παραγόντων έχει σαν βασικούς άξονες τους ακόλουθους (Mow και Hayes, 1992): α) κατασκευαστικές παραμέτρους του μοντέλου όπως οι ιδιότητες του υλικού, το σχήμα, η σχεδίαση του, το είδος ακινητοποίησης, και τα χειρουργικά μέσα και εργαλεία, β) χειρουργικές παραμέτρους όπως η ικανότητα και εμπειρία ομάδας, η επιλογή και ενημέρωση ασθενών, η συμβατότητα ασθενή και μοντέλου, και γ) παράγοντες σχετιζόμενους με την κατάσταση του ασθενούς (ηλικία, γενική υγεία, βάρος, καθημερινές δραστηριότητες). Ο Eftekhar (1978) εξ άλλου αναφέρει ως αλληλεπιδρώντες παράγοντες που συμβάλλουν στην αστάθεια και πτωχή πρόγνωση της πρόθεσης τους εξής: 37

48 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ 0 Chamley εισήγαγε επίσης το σκεπτικό της πρόθεσης χαμηλής τριβής με την τεχνική της εισαγαιγής μικράς διαμέτρου κεφαλής μηριαίοι) αρθρο:>μένης με μεγάλου πάχους κοτύλη και αντικατάσταση του τετραφθοροαιθυλαινίου που χρησιμοποιείτο έως τις αρχές του 60 για την κατασκευή των κοτυλών, με το υψηλής πυκνότητας και πολύ υψηλού μοριακού βάρους (Ultra High Molecular Weight) πολυαιθυλένιο που εφαρμόστηκε στην ορθοπαιδνκή το 1962 (Wroblewski and Smey, 1993) Αυτού του τύπου η πρόθεση θεωρείται πλέον σταθερά αναφοράς για τις μελέτες επιβύοσης της αρθροπλαστικής (Hartofilakidis, 1997, Hartofilakidis et al, 1997, Karachalios et al, 1993, Hartofilakidis et al, 1989) Η αντιμετοοπιζόμενη αρχικά δυσκολία στην τεχνική της μεθόδου ήταν τέτοιου βαθμού που ο ίδιος απαιτούσε την ιδιαίτερη εξάσκηση και εκπαίδευση των χρηστών της πριν την εφαρμογή της από αυτούς, και μόλις το 1970 την κατέστησε προσιτή στον ευρύ επιστημονικό κύκλο 4.2 Γενικά Η πρόγνωση της ΟΑΙ αν και εξαρτάται από αλληλεπιδράσεις πολλών παραγόντοον έχει σαν βασικούς άξονες τους ακόλουθους (Mow και Hayes, 1992) α) κατασκευαστικές παραμέτρους του μοντέλου όπως οι ιδιότητες του υλικού, το σχήμα, η σχεδίαση του. το είδος ακινητοποίησης, και τα χειρουργικά μέσα και εργαλεία, β) χειρουργικές παραμέτρους όπως η ικανότητα και εμπειρία ομάδας, η επιλογή και ενημέρωση ασθενών, η συμβατότητα ασθενή και μοντέλου, και γ) παράγοντες σχετιζόμενους με την κατάσταση του ασθενούς (ηλικία, γενική υγεία, βάρος, καθημερινές δραστηριότητες) Ο Eftekhar (1978) εξ άλλου αναφέρει ODÇ αλληλεπιδρώντες παράγοντες που συμβάλλουν στην αστάθεια και πτο^χή πρόγνωση της πρόθεσης τους εξής

49 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ α) Μηχανικούς παράγοντες που περιλαμβάνουν τη γεωμετρία και σχεδιασμό της κεφαλής, στειλεού και αυχένα, την τοπογραφική εντόπιση των στοιχείων πρόθεσης (κάθετη, εμπροσθοπίσθια) και τον διαχωρισμό των στοιχείων (παρουσία οστεοφύτων, περίσσεια τσιμέντου περιφερικά, βαθειά προώθηση του στειλεού στον αυλό του μηριαίου). β) Ανατομικούς παράγοντες που σχετίζονται με τη θέση κοτύλης στο χώρο (βαθειά, υψηλή, χαμηλή), το ενεργό μήκος του αυχένα της πρόθεσης, το μήκος στειλεού και την έκταση της αυχενικής περιοχής πρόθεσης και τέλος την ελαστικότητα των περιβαλλόντων ιστών. γ) Τεχνικούς παράγοντες με έμφαση στην διατήρηση των μαλθακών ιστών (νεύρα, αγγεία, προσφύσεις μυών), διεγχειρητικές δοκιμασίες σταθερότητας (πριν και μετά την τοποθέτηση τσιμέντου και επαναπρόσφυση μείζονα τροχαντήρα) και την σωστή επαναπρόσφυση του μείζονα τροχαντήρα (μηχανική ακινητοποίηση με σύρματα, διατομή συρμάτων, εφαρμοζόμενη τάση) και τέλος την μετεγχειρητική αγωγή ασθενούς. Η εξέλιξη της εμβιομηχανικής τα τελευταία χρόνια έχει μεταβάλλει τον σχεδιασμό και την ερμηνεία των αποτελεσμάτων ερευνών ωθώντας προς την κατεύθυνση της ανάλυσης των χαρακτηριστικών των προθέσεων αντί της απλής διαπίστωσης και συγκριτικής αντιπαράθεσης των χρόνων επιβίωσης κάθε μιας με βάση κλινικά κριτήρια. Έτσι, κατά τους Mow και Hayes (1992), δύο ομάδες απαιτούμενων χαρακτηριστικών σχετιζομένων με την ανάπτυξη της τεχνητής άρθρωσης είναι σημαντικές για την πρόγνωση της. Η πρώτη περιλαμβάνει κατασκευαστικές παραμέτρους που άπτονται της κατασκευής των επιφανειών της άρθρωσης με γεωμετρία και σχεδίαση που να επιτρέπει επαρκή ευχέρεια κίνησης αλλά και όρια ασφαλείας της άρθρωσης, τη βιολογική συμπεριφορά των συστατικών 38

50 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ υλικών της, το σχήμα και μέγεθος μοντέλου που να προσφέρει αντοχή και ελάχιστη ενδοτικότητα, τσιμέντο που να συμβάλλει στην ανάπτυξη σταθερής μεσόφασης και σχετικά απλή χειρουργική παρασκευή. Η δεύτερη κατηγορία σχετίζεται με την προ-κλινική δοκιμασία του μοντέλου και αναφέρεται στις απαιτούμενες μελέτες ανάλυσης ιδιοτήτων υλικών και φορτίων πριν την κλινική έρευνα που συνιστά την τελευταία παράμετρο σχεδιασμού μίας καινούργιας πρόθεσης. Τα τελευταία 30 έτη επίσης, η συμβολή της επιστήμης υλικών στην έρευνα του προβλήματος της πρόγνωσης της ΟΑΙ έχει συμβάλλει στην ανάλυση των παραγόντων αποτυχίας και μεσοφασικών φαινομένων κατά τη διάρκεια της φόρτισης του συστήματος. Ταυτόχρονα δείκτες αξιολόγησης της ποιότητας ζωής του ασθενούς (πόνος, ευχέρεια κινήσεων) έχουν ορθολογικά καθορίσει χρόνους και ρυθμούς "επιβίωσης" των προθέσεων. Έτσι έχει υπολογιστεί óu η μέση περίοδος απρόσκοπτης, ασυμπτωματικής και λειτουργικής παραμονής της πρόθεσης ανέρχεται μεταξύ 10 χρόνων (65%) και 15 χρόνων (35%) αν και τέτοια αποτελέσματα εξαρτώνται από την χρονική στιγμή διεκπεραίωσης της μελέτης μια και υπάρχει σαφής διαφορά μεταξύ προθέσεων που τοποθετήθηκαν με χρονική απόσταση με ευνοούμενες αυτές που μπήκαν πιό πρόσφατα λόγω των εξελίξεων στον τομέα (Wroblewski, 1990). Σε μία ανάλυση μακροχρόνιας επιβίωσης της Charnley LFA οι Wrobleski and Siney ακολούθησαν 1324 ασθενείς για περίπου 20 χρόνια με τέτοιου τύπου αρθροπλαστική και όριο ηλικίας κατά το χειρουργείο κάτω των 50 ετών. Βρήκαν ότι στα 20 έτη περίπου 80% διατηρούσαν τις αρθροπλαστικές σε λειτουργική κατάσταση ενώ οι αναθεωρήσεις που έγιναν 39

51 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ οφείλονταν σε χαλάρωση κοτύλης, χαλάρωση στειλεού και θραύση στειλεού με σειρά αύξουσας συχνότητας. Τα κριτήρια της «λειτουργικής κατάστασης» είναι χαμηλής διαγνωστικής αξίας και η ανάγκη για αντικειμενική αξιολόγηση της πρόθεσης με βάση αδιαμφισβήτητα σημεία είναι έκδηλη. 4.3 Υλικά Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις βασικές φυσικο-μηχανικές ιδιότητες των κυριοτέρων υλικών που χρησιμοποιούνται στην ΟΑΙ όπου φαίνεται και η μεγάλη διακύμανση ως προς τις τιμές για φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Η χρήση υλικών με μεγάλες διαφορές μεγέθους μέτρου ελαστικότητας που φέρονται σε επαφή για το σχηματισμό δύο μεσοφάσεων (τσιμέντου-μετάλλου και τσιμέντου-οστού) μέσα στο ανθρώπινο σώμα είναι μια πρόκληση που δύσκολα θα μπορούσε να βρει ανταγωνιστή. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ ΑΡθΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗΣ ΙΣΧΙΟΥ ΚΑΙ ΜΗΡΙΑΙΟΥ ΟΣΤΟΥ ΥΛΙΚΟ ΜΕΤΡΟ Young ΕΤΕΛΚΥΣΤΙΚΗ ΕΠΙΜΗΚΥΝΣΗ. J GPa > _. ΑΝΤΟΧΗ (MPa) (%) " ΜΕΤΑΛΛΑ-ΚΡΑΜΑΤΑ 316 Ανο$. χάλυβας Co-Cr-Mo Ti-6AI-4Va ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ (g/cm 3 ) ΚΕΡΑΜΙΚΑ Πολυκρυσταλλική ΑΙ Bioglass Υδροξυαπατίτης ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΡΜΜΑ Bone Cernent Πολυαιθυλένιο ΟΣΤΟΥΝ Μηριαίο (Συμπαγές, επιμήκης άξονας) Μηριαίο (δοκιδώδες)

52 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Η πολυπλοκότητα του συστήματος από μηχανική άποψη επιβαρύνεται ακόμα περισσότερο λόγω των υψηλών λειτουργικών απαιτήσεων από πλευράς αντοχής της πρόθεσης και των συστατικών της στοιχείων. Ενδεικτικά, στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συγκριτικά οι μέσες τιμές των μέγιστων δυνάμεων που ασκούνται στην κατ' ισχίον άρθρωση σε σύγκριση με την άρθρωση του γόνατος κατά την διάρκεια διαφόρων καθημερινών δραστηριοτήτων ενός υγιούς ατόμου. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 ΜΕΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΙΜΗ ΑΣΚΟΥΜΕΝΩΝ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΣΤΙΣ ΑΡΘΡΩΣΕΙΣ ΙΣΧΙΟΥ ΚΑΙ ΓΟΝΑΤΟΣ (ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΟ ΤΟΥ ΒΑΡΟΥΣ ΑΤΟΜΟΥ-Χ Kgr)) ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΙΟ ΓΟΝΑΤΟ Βάδισμα αργό κανονικό ταχύ Ανάβαση Κλίμακος Κατάβαση Κλίιμακος Ανάβαση Κλίσεως Κατάβαση Κλίσεως Από Mow and Hayes, Basic orthopedic biomechanics, Raven, Ανεπιθύμητες Ενέργειες-Σνμβάματα κατά την ΟΑΙ Γενικά, αν και οι επιδράσεις του στον οργανισμό μέσω της προκληθείσας πτώσης της αρτηριακής πίεσης ιδιαιτέρως σε άτομα με ιστορικό καρδιαγγειακών προβλημάτων λόγω έκλυσης ισταμινών, είναι ανησυχητικές, λοιποί προβληματισμοί σε σχέση με την τοξικότητα, την αλλεργιογόνο δράση του και την πιθανότητα της δημιουργίας εμβόλων αέρα, λίπους ή πολυμερούς που αναπτύσσονται παρακάτω φαίνεται ότι δεν ανατρέπουν τον λόγο «ωφελιμότητας προς έκθεση σε κίνδυνο για τον ασθενή», με δεδομένη την ευρύτατη χρήση του και ης σχετικά λίγες αναφορές συμβαμάτων ή ανεπιθύμητων ενεργειών (Prentiss and Imoto, 2001). Στα μέσα της δεκαετίας του '80 η χρήση του τσιμέντου είχε εξαπλωθεί σε 41

53 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ σημείο που ολικές αρθροπλαστικές ισχίου και γόνατος ελάμβαναν χώρα κάθε χρόνο, ενώ ο συνολικός αριθμός ολικών αρθροπλαστικών του ισχίου το 1992 έφθασε τις Θεωρώντας ότι περίπου τρεις συσκευασίες ακρυλικού χρησιμοποιούνται σε κάθε επέμβαση, υπολογίζεται ότι τουλάχιστον κιλά ακρυλικού χρησιμοποιούνταν σε ετήσια βάση τη δεκαετία του '80, ενώ το ίδιο μέγεθος ξεπέρασε τους 80 τόνους τις αρχές του '90 (Park and Lakes, 1992). Ανάλυση του επιπολασμού των συμβαμάτων και των ανεπιθύμητων δράσεων κατά την ΟΑΙ, δηλοί ότι αυτός κυμαίνεται σε μικρά επίπεδα. Ειδικά οι περιπτώσεις πνευμονικής εμβολής σε 17-χρονη παρακολούθηση περισσοτέρων των αρθροπλαστικών έδειξαν ποσοστό θνησιμότητας 0.7% κατά τον πρώτο μετεγχειρητικό χρόνο με μεγάλη διακύμανση περί την εποχή του έτους και σταθερή μείωση σε σχέση με το χρόνο (Wroblewski et al, 1990). Η πιθανή επιπλοκή που αφορά στην δημιουργία θρόμβου λόγω συστροφής της μηριαίας φλέβας κατά τους χειρισμούς και πιθανής τοξικότητας του μονομερούς στο ενδοθήλιο του αγγείου έχει επίσης απασχολήσει τους κλινικούς. Ο γενικός μηχανισμός που παρεμβάλλεται στην δημιουργία θρόμβου ενέχει την κινητοποίηση της διαδικασίας πήξης του αίματος για την αντιμετώπιση του τραύματος η και κατάγματος. Ωστόσο καθώς το τσιμέντο εισέρχεται στη μάζα του οστού, ο μηχανισμός αυτός επιτείνεται και σε συνδυασμό με την απελυεθέρωση μονομερούς και άλλων ενώσεων στην κυκλοφορία, είναι πιθανόν να διαταράξουν αιμοδυναμικά τον ασθενή με ανεπιθύμητα αποτελέσματα (Dahl, 1997). Παρ' όλο τον θεωρητικό κίνδυνο, οι περισσότερες έρευνες δεν παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές μεταξύ αρθροπλαστικών με τσιμέντο ή άλλου τύπου ακινητοποίηση σε σχέση με την 42

54 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ δημιουργία θρόμβου και διατραχή των εμμόρφων συστατικών αίματος, αν και άλλοι αναφέρουν σχετικά μεγαλύτερη επίπτωση σε αυτές με τσιμέντο (Francis et al, 1986). Με τη χρήση πνευματικής συμπίεσης του μέλους κατά το χειρουργείο μειώνονται σημαντικά οι πιθανότητες τέτοιου συμβάματος (Hull et al, 1993; Fordyce and Ling, 1992). Οι Tryba και συν. (1991) ερευνώντας την συσχέτιση αρθροπλαστικής και καρδιοαγγειακών συμβαμάτων βρήκαν ότι κατά τη διάρκεια της έγχυσης του τσιμέντου παρατηρείται άνοδος του επιπέδου των ισταμινών πλάσματος κατά 1 ng/ml. Η παραπάνω τιμή αξιολογείται σοβαρά σε ηλικιωμένους ασθενείς με ιστορικό καρδιαγγειακής νόσου ή αυτούς που βρίσκονται υπό αγωγή με Η ι και Η2 ανταγωνιστές και στους οποίους οι παρατηρηθείσες επιδράσεις περιελάμβαναν και μετρήσιμη πτώση της συστολικής αρτηριακής πίεσης (Burgess, 1970). Πολλοί έχουν διαπιστώσει ότι η διάχυση του μονομερούς στην κυκλοφορία έχει ως αποτέλεσμα πτώση της πίεσης μέσω της επίδρασης στις λείες μυϊκές ίνες των αγγείων (Karlsson et al, 1995). Γενικά, το πρωτόκολλο αντιμετώπισης τέτοιων προβλημάτων σε δέκτες αρθροπλαστικής ενέχεται για επιπλοκές και συμβάματα όταν συνυπάρχουν δύο ή περισσότερες προδιαθεσικές παράμετροι από το ιστορικό (μυοκαρδιοπάθεια, αρρυθμία, έμβολα, έκλυση ισταμίνης). Οι ανωτέρω ανεπιθύμητες ενέργειες συμπληρώνονται και από συστηματικές επιδράσεις στα αέρια αίματος στα οποία παρατηρείται πτώση της μερικής πίεσης οξυγόνου μετά από την εφαρμογή τσιμέντου κοτύλης και μηριαίου εμφυτεύματος που φθάνει το 16 και 23% αντίστοιχα, χωρίς όμως περαιτέρω κλινική ακολουθία και σημαντική επίπτωση στις μεταβολικές λειτουργίες του οργανισμού (Venkatesh et al, 1996). 43

55 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Ο επαρκής επίσης αερισμός του χειρουργείου βοηθά ώστε να αποφευχθεί επίδραση στην ομάδα του χειρουργείου από την πτητικότητα του εξατμιζόμενου μονομερούς κατά τη διάρκεια πολλαπλών τέτοιων επεμβάσεων (Williams και Syderham, 1996). Η φαρμακοκινητική του μονομερούς μεθακρυλικού μεθυλίου στο αίμα ασθενών που υπόκεινται σε ΟΑΙ απετέλεσε το επόμενο βήμα μελέτης των αντιδράσεων στον οργανισμό για τη διαπίστωση συστηματικών επιδράσεων. Οι Wenda et al (1988) μέτρησαν τα επίπεδα ΜΜΑ σε πνευμονικές αρτηρίες και φλέβες ασθενών που δέχτηκαν αρθροπλαστική και βρήκαν μεγάλη διακύμανση (0.2-9μ /ιη1) με μεγαλύτερες τις τιμές στην πνευμονική αρτηρία αμέσως μετά την τοποθέτηση του στειλεού (7.8 μg/ml). Αν και δεν βρέθηκε οποιαδήποτε συσχέτιση μεταξύ της κυκλοφορίας ΜΜΑ στο αίμα και των διακυμάνσεων της πίεσης, παρατηρήθηκε αρχική μείωση της αρτηριακής πίεσης κατά τα 3 πρώτα λεπτά και εξισορρόπηση αργότερα, ενώ η πίεση της πνευμονικής αρτηρίας αυξήθηκε κατά 2mm Hg. Το πρόβλημα της αντίδρασης υπερευαισθησίας και ανάπτυξης αντίδρασης λόγω επαφής με το τσιμέντο μολονότι σε εργαστηριακές μελέτες έχει σαφώς αναδειχθεί (Jensen et al, 1991; Watreman and Schrick, 1990) όπως και σε σχετικές έρευνες και βιβλιογραφία οδοντιατρικών υλικών, φαίνεται ότι δεν αποτελεί σημαντικό παράγοντα σε κλινικό επίπεδο στην ΟΑΙ. Παρ' όλα ταύτα, οι Haddad et al (1996) έχουν αναφέρει περιστατικό άσηπτης χαλαρότητας προκληθείσας από αντίδραση υπερευαισθησίας στον επιταχυντή του πολυμερισμού του ΡΜΜΑ Ν,Ν διμεθυλ-παρα-τολουϊδίνη (DMT). Περαιτέρω διερεύνηση της πιθανότητας αυτής ανέδειξε το πρόβλημα της αντίδρασης τέτοιου τύπου σε ασθενείς που παρουσιάζουν ταχύτατη διαδικασία χαλάρωσης χωρίς εμφανές αιτιολογικό αίτιο με ενδοπρόθεση με τσιμέντο. Η άποψη αυτή ενισχύεται και από την ήδη γνωστή εμφάνιση 44

56 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ αλλεργικής δερματίτιδας εξ επαφής σε μέλη της ομάδας του χειρουργείου των αρθροπλαστικών καθώς και σε οδοντιάτρους (Fries et al, 1975). Αν και το μεθακρυλικό μεθύλιο είναι γνωστός αλλεργιογόνος παράγοντας για ένα σχετικά μικρό τμήμα του πληθυσμού φαίνεται ότι πρόσθετες ουσίες όπως η προαναφερθείσα τεταρτοταγής αρωματική αμίνη δημιουργούν το πρόβλημα. Στην οδοντιατρική η ακολουθία των συμπτωμάτων τέτοιου τύπου αντίδρασης περιλαμβάνει την αίσθηση καύσου στόματος μετά από τοποθέτηση οδοντοστοιχιών που οφείλεται στον ίδιο πιθανώς παράγοντα (Tosti et al, 1990). Το γεγονός óu στην έρευνα των Haddad και συν οι ασθενείς που εμφάνισαν καλπάζουσα χαλαρότητα παρουσίασαν μεγαλύτερη στατιστικώς σημαντική ευαισθησία στον παράγοντα αυτό του υλικού με δοκιμασίες επαφής (patch test) δηλώνει ότι σε μικρό δείγμα πληθυσμού είναι δυνατόν οι ιδιοπαθείς αιτιολογικοί παράγοντες αποτυχίας να οφείλονται σε τέτοιου τύπου αντίδραση. Πάντως οι Davy and Braden (1991), αναφέρουν μικρότερη ποσότητα υπολοιπόμενου μονομερούς για το ΡΒΜΜΑ σε σχέση με το ΡΜΜΑ γεγονός που συντείνει στην αντικατάσταση του τελευταίου αν μάλιστα ληφθούν υπ' όψιν τα σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες των δύο τύπων τσιμέντου που αναλύονται στο παρόν και στο επόμενο κεφάλαιο. Η επέμβαση επίσης εμπεριέχει τον κίνδυνο του τραυματισμού του μηριαίου νεύρου και την πρόκληση μερικής παράλυσης η οποία ωστόσο ανατάσσεται αμέσως με την επανορθωτική επέμβαση (Ha et al, 2001). Η τοξικότητα του υλικού σαν αντίδραση στα συστατικά του και όχι σε άλλες παραμέτρους (π.χ. θερμότητα ) είναι ευρέως γνωστή και σχετίζεται έμμεσα με τον βαθμό πολυμερισμού του. Αν και τελευταία η σύνδεση της τοξικότητας με παραμέτρους της 45

57 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ κινητικής της αντίδρασης αμφισβητείται, το consensus είναι ότι χαμηλού βαθμού ανάπτυξη δικτύου πολυμερούς σχετίζεται με την απελευθέρωση προϊόντων αντίδρασης και ενδιαμέσων πολυμερών φάσεων όπως επίσης και προσθέτων (ακτινοσκιερές ουσίες, ενεργοποιητές, επιβραδυντές πολυμερισμού) που είναι δυνατόν αν εκλύσουν τοξικά φαινόμενα στους περιβάλλοντες ιστούς. Η συχνότητα σοβαρών λοιμώξεων τέλος κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα (1.5%) αν αναλογιστεί κανείς ότι στα περιστατικά που μελετώνται συμπεριλαμβάνονται ασθενείς με ιστορικό διαβήτη, ρευματοειδούς αρθρίτιδας και προηγούμενης αρθροπλαστικής τα οποία ανεβάζουν το ποσοστό της επίπτωσης τέτοιας επιπλοκής άνω του μέσου όρου των πρώτων αρθροπλαστικών (Lynch et al, 1987). Ο Charnley θεωρούσε την παρουσία ειδικής διάταξης αερισμού με αποστειρωμένο περιβάλλον (clean-air room) και στολές ένδυσης παρόμοιες των αστροναυτών απαραίτητη για τη μείωση των λοιμώξεων (Charnley, 1979). Κλινικές μελέτες ωστόσο αμφισβήτησαν τις μεθόδους αυτές μια και η συνεισφορά τους απεδείχθη δυσανάλογη της εργώδους και χρονοβόρας εγκατάστασης και προετοιμασίας τέτοιου τύπου προφυλακτικών μέτρων (Aglietti et al, 1974). 4.5 Ανάλυση τάσεων στην πρόθεση Η ανάλυση των ασκουμένων τάσεων στα στερεά αφορά σε μέθοδο κατά την οποία μια συγκεκριμένη δομή ενός υλικού με δεδομένη γεωμετρία και ιδιότητες υλικού και γνωστές ελαστικές ιδιότητες (μέτρο Young, και λόγος Poisson). Το σύστημα φορτίζεται εξωγενώς και το αντικείμενο της έρευνας προσανατολίζεται στην διαπίστωση των ασκουμένων ροπών και 46

58 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ δυνάμεων και των αντιστοίχων παραμορφώσεων καθώς και στην διερεύνηση της πιθανότητας πρόκλησης θραύση του υλικού. Load Medial side Lateral side ':,<WW /, STRESS (MPa) STRESS(MPa) EIK Κατανομή τάσεων στην κατ' ισχίον άρθρωση (από Swanson and Freeman, The scientific basis of Joint replacement, Wiley, 1977) Στην πραγματικότητα οι τάσεις πολλαπλασιάζονται σε περιοχές με αδρή επιφάνεια που μορφολογικά χαρακτηρίζονται από κορυφές, γωνίες και οπές. Στη περίπτωση συνθεκκών συστημάτων όπως σε αυτήν της πρόθεσης με διαφορετικές μεσοφάσεις υλικών με διαφορετικά μέτρα ελαστικότητας, οι αναπτυσσόμενες τάσεις έχουν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη συμπιεστικών δυνάμεων. Για παράδειγμα, εάν το υπόβαθρο (π.χ. οστούν) έχει ελαστικότητα μικρότερη της υπερκείμενης κατασκευής (π.χ. πρόσθεση) θα τείνει να μετατοπιστεί προς τα πλάγια με τη μορφή της διεύρυνσης η οποία αντιρροπείται από την διατμητική αντοχή των μεσοφασικών στοιχείων. Η προσομοίωση του υπόβαθρου με οστούν δεν είναι ακριβής μιά και η θεώρηση των ιδιοτήτων του ως ισοτροπική (ομοιογενή) καθ' όλες τις διευθύνσεις είναι λανθασμένη. Είναι γνωστό ότι η ενδοτικότητα ενός μη ομοιογενούς στρώματος υλικού συγκολλημένου σε ανένδοτο υπόβαθρο μειώνεται είτε με μείωση του 47

59 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ πάχους είτε με αύξηση του μέτρου ελαστικότητας του. Γενικά οι κυριότερες αρχές μετάδοσης των τάσεων σε ακινητοποίηση με τσιμέντο συνοψίζονται στα εξής (Ebramzadeh, 1994): Η δομή του τσιμέντου από πλευράς ανάλυσης τάσεων μπορεί να χωριστεί σε τρεις περιοχές: μία μεσαία όπου οι τάσεις διαχωρίζονται και δύο περιοχές ένθεν και ένθεν όπου οι τάσεις μεταβιβάζονται. Το οστούν φέρει φορτίο που προστατεύεται από την πρόθεση. Όσο μεγαλύτερο φορτίο μεταβιβάζεται στην πρόθεση στην μεσαία περιοχή, τόσο λιγότερο αποκρύβεται από τις άλλες δύο περιοχές, και όσο πιό ευένδοτο είναι το εμφύτευμα τόσο πιο ισχυρές τάσεις αναπτύσσονται στο άνω άκρο της πρόθεσης. Ανένδοτη μεσόφαση λόγω υψηλού μέτρου ελαστικότητας ή και λεπτού στρώματος αυξάνει την αναπτυσσόμενη τάση στη μεσόφαση. Τέλος, υπερβολικά βραχείς στειλεοί εξαφανίζουν την μεσαία περιοχή φόρτισης και αυξάνουν την φόρτιση της μεσόφασης. Αυτές οι τάσεις μπορεί να επηρεάσουν την απορρόφηση του οστού κατά το γνωστό νόμο του Wolff, είτε λόγω αναδόμησης που επιδρά στο πορώδες (πυκνότητα) του οστού και επομένως και το μέτρο ελαστικότητας του (εσωτερική αναδόμηση-internal remodeling), είτε μέσω αλλαγών στη γεωμετρία και δομή του (εξωτερική-external remodeling). Το αποτέλεσμα επαναφέρει μέσω αλλαγών στο προφίλ του οστού τα επίπεδα τάσεων στις φυσιολογικές συνθήκες, μεσόφαση τσιμέντου οστού-ακινητοποίηση 48

60 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ 4.6 Τύποι Ακινητοποίησης Ο ΑΙ Το πρόβλημα της ακινητοποίησης (fixation) των ορθοπαιδικών προθέσεωνεμφυτευμάτων αποτελεί μία από ης μεγάλες προκλήσεις στην έρευνα. Γενικά η ακινητοποίηση μπορεί να χωριστεί σε 2 μεγάλες κατηγορίες με βάση τη χρήση τσιμέντου ή όχι, και σε 4 ομάδες με ειδοποιό διαφορά την διαφορετική επιλογή μέσου, οι οποίες αναφέρονται ως: α) Ενεργή μηχανική (μη παθητική) με τη χρήση οστεοκοχλιούμενων βιδών, καρφίδων, συρμάτων και τσιμέντου. β) Παθητική μηχανική με σχετική ανοχή μικροκινήσεων μεταξύ των στοιχείων μεσόφασης πρόθεσης και εμφυτεύματος. γ) Βιολογική προκαλώντας την εισχώρηση και ανάπτυξη ιστού στην αδροποιημένη πορώδη επιφάνεια της πρόθεσης. δ) Κατευθείαν χημική μέσω χημικών δεσμών που αναπτύσσονται στις επιφάνειες πρόθεσης και ιστών. Τα βιοϋλικά που χρησιμοποιούνται στις ακινητοποιήσεις και τα οποία παρουσιάζουν διάφορη ανάπτυξη δεσμού με το οστούν περιλαμβάνουν τα ακόλουθα. α) μη πορώδη υλικά με ή χωρίς επικάλυψη υδροξυαπατίτη, β) πορώδη υλικά με ή χωρίς επικάλυψη υδροξυαπατίτη, γ) ΡΜΜΑ, δ) βιοενεργό τσιμέντο. 49

61 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Εικ Οι διάφοροι τύποι ακινητοποίησης της ΟΑΙ (από Park, Biomaterials, an introduction, 2 nd ed., Plenum Press, 1992) Η τελευταία κατηγορία χωρίζεται με βάση την έκταση της βιοενεργότητας σε σε τρείς ομάδες αυτήν της ολικής, της επιφανειακής, και της μεσοφασικής βιοενεργότητας (Oonishi, 1992). Η πρώτη παρουσιάζει σταδιακή αντικατάσταση με οστούν η οποία ξεκινά από τα σημεία επαφής και επεκτείνεται σε ολόκληρη την μάζα της μεσόφασης σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάμιξη TeCP (tetracalcium phospate), DCPD 50

62 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ (dicalcium phosphate dihydrate) και LA-collagen (low-antigenic type I atherocollagen). To κολλαγόνο και τα φωσφορικά άλατα ασβεστίου αυξάνουν το ιξώδες και επιτυγχάνουν επιθυμητές ρεολογικές ιδιότητες του υλικού, μειώνουν το χρόνο σκλήρυνσης, αυξάνουν την συμπιεστική αντοχή, και προκαλούν επίταση της δημιουργίας οστίτη ιστού. Το χρονικό πλαίσιο που λαμβάνει χώρα η ανάπτυξη οστού είναι σχετικά μικρό μιά και σε 3 εβδομάδες περίπου μπι βάθους καλύπτονται από αυτό, παρουσιάζοντας χρόνους που είναι συγκρίσιμοι με αυτούς του τσιμέντου. Η δεύτερη ομάδα περιορίζει την ανάπτυξη δεσμού στην επιφάνεια και το υλικό αποτελείται από α TCP (tricalcium phosphate) διαπλεγμένο με κιτρικό και μαλονικό οξύ και LA-collagen. Σε αυτήν την κατηγορία η συμπιεστική αντοχή μετά από 24 ώρες φθάνει αυτήν του ΡΜΜΑ ( MPa) ενώ ξεπερνά την αντίστοιχη του τσιμέντου σε 1 εβδομάδα (130 MPa). Μικροσκοπικά το πάχος οστού ανευρίσκεται σε 500μπι σε 6 εβδομάδες και ΙΟΟΟμπι σε 6 μήνες (Oonishi, 1992). Η τρίτη βασίζεται στην διασπορά κόκκων HA διαμέτρου μιυ μεταξύ του οστού και ΡΜΜΑ και είναι η μόνη που περιέχει και κλασσικό ακρυλικό τσιμέντο. Σε πειράματα απόσπασης (push-out tests) βρέθηκε ότι τα σημεία αποτυχίας εντοπίζονταν στους κόκκους του HA τις πρώτες 2-6 εβδομάδες, και μεταξύ του στρώματος αυτού και του ΡΜΜΑ ης εβδομάδες 12-24, γεγονός που δεικνύει την μετατόπιση της ασθενούς φάσης χρονικά εκτός μεσοφάσεως. Η διαδικασία της κυτταρικής διαφοροποίησης κατά τη διάρκεια της οστεοεπαγωγικής δράσης των διαφόρων τύπων ακινητοποιήσεων χωρίς τσιμέντο με σχετικά υλικά, εξαρτάται κυρίως από την αιμάτωση της περιοχής και την μερική πίεση οξυγόνου τοπικά. Το εύρος και 51

63 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΑΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ η διάρκεια της επίδρασης μηχανικών παραγόντων ωστόσο παίζει σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο. Η μεσόφαση εμφυτεύματος-οστού αποτελείται από κυτταρικό πληθυσμό με διαφορετικά χαρακτηριστικά και βασικά περιλαμβάνει μεσεγχυματικής προέλευσης κύτταρα και εξωκυτταρική μήτρα. Τα επίπεδα φόρτισης των κυττάρων αυτών παρουσιάζουν ευρεία διακύμανση λόγω επιφανειακής δομής, ανομοιογένειας και αρχιτεκτονικής του εμφυτεύματος. Λόγω της σύνθετης δομής του υλικού και των ιστών, η φόρτιση επίσης διαφέρει κατά την διαδρομή του χρόνου. Η δημιουργία οστού γύρω από εμφύτευμα προϋποθέτει την προσέλκυση προδρόμων μορφών οστεοβλαστών τοπικά, την διαφοροποίηση τους σε εκκριτικούς οστεοβλάστες και την παραγωγή μήτρας (οστεοειδούς) η οποία σε μεταγενέστερα στάδια ενασβεστιώνεται και δημιουργεί οστούν. Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει τη δυναμική εξέλιξη της μεσόφασης βιοϋλικού και ιστού υπονοώντας τη σημαντική παράμετρο του χρόνου για την ανάπτυξη αδιατάρακτης μεσόφασης με τη συμμετοχή κυτταρικών στοιχείων. Εικ Σχηματική αναπαράσταση της δυναμικής της μεσόφασης εμφυτεύματος-ιστού. Οι άξονες χρόνου και εύρους ζώνης υπονοούν ότι τα μεσοφασικά στοιχεία παρουσιάζουν διαφοροποίηση σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο σε Βάδος χρόνου. Στα πρώτα στάδια η πλήρωση του κενού γίνεται με ιστικά υγρά με τη συμμετοχή μικρού αριδμού κυττάρων. Σε μεταγενέστερα στάδια η οργάνωση του 52

64 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ συνδετικού και οστίτη ιστού σταθεροποιούν τη μεσόφαση (Από Kasemo and Lausmaa, The biomaterials-tissue interface and its analogue in surface science and technology στο Davies J (ed) The bone biomaterial interface, University of Toronto Press, 1992) Οι Carter και Giori (1992) έχουν δείξει ότι μεσεγχυματικής προέλευσης πρόδρομες μορφές οστίτη ιστού διαφοροποιούνται σε οστούν, χόνδρο, και ινώδη ιστό με συγκεκριμένα επίπεδα παραμόρφωσης και όχι φόρτισης μια και οι διάφοροι ιστοί έχουν διαφορετική συμπεριφορά σε μηχανικά ερεθίσματα. Έτσι, σε αυξημένη υδροστατική πίεση, χαμηλό ιστορικό παραμόρφωσης, και χαμηλή αιμάτωση επιτείνεται ο σχηματισμός οστού. Αντίστοιχα, όταν η παραμόρφωση μεγαλώνει ο σχηματισμός ινώδους ιστού αυξάνει. Πληθώρα ερευνητικών δεδομένων συναρτούν την δυνατότητα διαφοροποίησης με την σύνθεση και μορφολογία της επιφάνειας επαφής των κυττάρων. Έχει δειχθεί (Ricci et al, 1992) óu χονδροκύτταρα που καλλιεργούνται σε επιφάνεια τιτανίου παρουσιάζουν μεγαλύτερη παραγωγή εξωκυττάριας μήτρας από αντίστοιχες συνθήκες παρουσίας οξειδίου του αργιλίου, φωσφορικού ασβεστίου και οξειδίου του ζιρκονίου, ενώ επίσης κυτταρικές σειρές οστεοβλαστών παρουσιάζουν διαφορετική φαινοτυπική έκφραση, RNA σύνθεση, πρωτεϊνική και πρωτεογλυκανική παραγωγή, κυτταρική μορφολογία και πολλαπλασιασμό καθώς και επίπεδα αλκαλικής φωσφατάσης. εξαρτώμενη από την αδρότητα της επιφάνειας. Γενικά οι λείες επιφάνειες φαίνεται ότι αποτελούν ιδεωδέστερο υπόστρωμα ανάπτυξης συνδετικού ιστού σε σχέση με τις αδρές όπου είναι πρόσφορος ο πολλαπλασιασμός προδρόμων μορφών οστού Ακινητοποίηση χωρίς τσιμέντο 4.6.1α PEMF 53

65 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Σχετικά πιο καινούργιες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί τελευταία οι οποίες περιλαμβάνουν παλλόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία (PEMF-pulsed electromagnetic fields), χημικές επιδράσεις με άλατα φωσφορικού ασβεστίου καθώς και εφαρμογή βιο-κεραμικών υλικών (bioglass) που φαίνεται ότι δημιουργούν χημικό δεσμό με το οστούν ή χρήση τσιμέντου περιέχοντος βιο-απορροφούμενα σωματίδια. Σχετικά με την πρώτη παράμετρο, είναι ήδη γνωστό ότι το 1979, η χρήση του PEMF εγκρίθηκε από το Food and Drug Administration για την θεραπεία ατελών ενώσεων, καταγμάτων, και ψευδαρθρώσεων, αν και η παλαιότερη αναφορά στον τομέα των θεραπευτικών βιοηλεκτρικών μεθόδων αναφέρεται το 1841, όταν ο Hartshorne χρησιμοποίησε ηλεκτρική ενέργεια για να θεραπεύσει ασυνεχή κατάγματα. Ο ιδρυτής του American College of Surgeons, F.Η. Martin, το 1885 ανέφερε επιτυχή θεραπεία όγκων με ηλεκτρικά φορτία. Ωστόσο μέχρι το 1950, όταν ο Basset ανίχνευσε ηλεκτρική αναστροφή της πολικότητας σε ξηρά δοκίμια οστού με φόρτιση τύπου ελευθέρας ράβδου (cantilever system), και την ταυτόχρονη αναφορά από τους Fukada και Yasuda των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων του οστού, οι τεχνικές αυτές δεν χρησιμοποιήθηκαν σε καθιερωμένη θεραπευτική βάση. Μετέπειτα η εμφύτευση ηλεκτροδίων στο τραύμα και η παρατηρηθείσα οστεογεννετική δράση των χονδροκυττάρων στην κάθοδο επεξέτεινε την αντίληψη για τις ιδιότητες των ηλεκτρικών ρευμάτων. Στα μέσα της δεκαετίας του 70, οι Brighton, και Bassett ανέπτυξαν την πρώτη μη επεμβατική τεχνική διέγερσης οστικής εναπόθεσης. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι στην ουσία μετεξέλιξη της αρχικής μορφής αυτού του είδους ενεργοποίησης. Μεταγενέστερες έρευνες σε ινοβλάστες, επιφύσεις καθώς και οστικές ραφές έδειξαν άνοδο των επιπέδων DNA, camp, cgmp, αύξηση της πρόσληψης 54

66 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ραδιοσημασμένης θυμιδίνης, διέγερση μηχανισμών σχηματισμού κολλαγόνου και επίταση διαφοροποίησης προδρόμων μορφών οστίτη ιστού. Σε κλινικό επίπεδο, οι Bassett, Mitchell και Gaston θεράπευσαν ατελείς ενώσεις μακρών οστών ασθενών με PEMF και διαπίστωσαν 87% επιτυχία, ενώ παρόμοια ποσοστά έχουν ανέφεραν και οι Sutcliffe και Goldberg, οι οποίοι δοκίμασαν τη μέθοδο σε συγγενείς ψευδαρθρώσεις. Μία από ης εγγενείς ωστόσο δυσκολίες που παρουσιάζονται στις μεθόδους αυτές έγκειται στο ότι στην μετα-εμφυτευτική περίοδο θα πρέπει να διατηρηθεί η εξέλιξη των γεγονότων που λαμβάνουν χώρα στην μεσόφαση σε ελεγχόμενα επίπεδα επιθυμητών μεταβολών διατηρούμενης ταυτόχρονα της ακινητοποίησης β βιοδραστικές ύαλοι (Bioglass) Το σκεπτικό της δημιουργίας βιο-δραστικών υλικών (bioactive) σε αντιδιαστολή με την επιδιωκόμενη βιο-αδράνεια (bioinertness) των υλικών εμφυτευμάτων ώθησε μια ξεχωριστή κατηγορία έρευνας ανόργανων κεραμικών υλικών, η οποία προωθήθηκε το 1969 από τον L. Hench και την ομάδα του από την Φλόριδα (Hench et al, 1971). Ως αποτέλεσμα της εξέλιξης αυτής της προσέγγισης υπήρξε ένα τεχνητό κεραμικό υλικό το οποίο αναπτύσσει ισχυρό δεσμό με το οστούν με αλληλουχία που περιγράφεται στον παρακάτω πίνακα. ΣΤΑΔΙΟ Ι ΣΤΑΔΙΟ II ΣΤΑΔΙΟ III ΣΤΑΔΙΟ IV ΠΙΝΑΚΑΣ 4.3 Περιγραφή των σταδίων δημιουργίας μεσόφασης των Βιοενεργών υάλων ΣΤΑΔΙΑ ΜΕΣΟΤΑΣΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΣΤΟΥ-ΒΙΟΕΝΕΡΓΩΝ ΥΑΛΩΝ (BIOGLASS) Ταχεία ανταλλαγή ιόντων Na και Κ με Η και Η 3 0 διαλύματος Απώλεια διαλυμένου Si υπό μορφή Si(OH) 4 στο διάλυμα σαν αποτέλεσμα της διάρηξης δεσμών τύπου Si-0-Si και δημιουργίας σιλανόλης (Si-OH) στην μεσόφαση διαλύματος-υάλου Συμπύκνωση του επιφανειακού, πλούσιου σε Si0 2 στρώματος επιφανείας Μεταφορά ιόντων Ca και Ρ0 4 στην επιφάνεια μέσω του στρώματος διοξειδίου του πυριτίου, σχηματίζοντας CaO-P επάνω από το στρώμα αυτό, ακολουαούμενο απο ανάπτυξη film άμορφων σχηματισμών ιόντων 55

67 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ΣΤΑΔΙΟ V Κρυσταλλοποίηση των άμορφων στρωμάτων ιόντων με ενσωμάτωση υδροξυλίων και καρβοζυλικών ομάδων ή Φθορίου προς σχηματισμό ενός στρώματος συνδέτου υδροξυκαρβονικού φδοριοαπατίτη Η σημαντικότερη παράμετρος στο προταθέν μοντέλο είναι η διαθεσιμότητα του σχηματισμένου στρώματος ασβεστίου και φωσφορικών αλάτων μια και έτσι επιτυγχάνεται τροπισμός και δεσμός με το οστούν. Σχετικές έρευνες διερευνώντας τον χρονικό ορίζοντα των αντιδράσεων έχουν δείξει ότι 20 λεπτά μετά το αρχικό στάδιο σχηματίζεται γέλη πυριτίου της οποίας το ίχνος αρχίζει και φθίνει φασματοσκοπικά μετά από 1 ώρα με επικράτηση άμορφων σχηματισμών φωσφορικού ασβεστίου. Κατόπιν 2 λεπτών, το πάχος του στρώματος αυτού φτάνει τα 20 nm και 1 ώρα αργότερα τα 200 run. Μετά από λίγο διάστημα της τάξης μεγέθους της ώρας, μπορεί φασματοσκοπικά να διαπιστωθεί σχηματισμός υδροξυκαρβονικού απατίτη σε πάχος 4 μηι, ενώ σε 100 ώρες το στρώμα αυτό ανευρίσκεται ακόμα και με πολύ λιγότερο ευαίσθητες τεχνικές (X-ray diffraction). Τέλος μετά από 2 εβδομάδες έχει ήδη λάβει τις διαστάσεις βιολογικών απατιτών. Η ενεργότητα του μοντέλου εξαρτάται από το ρυθμό σχηματισμού φωσφορικού ασβεστίου και το χρόνο κρυσταλλοποίησης του και από την εκλεκτική προσρόφηση στο σχηματιζόμενο στρώμα του απατίτη διαφόρων πρωτεϊνών που ρυθμίζουν την κυτταρική πρόσφυση, ανάπτυξη και διαφοροποίηση. Το πρόβλημα όπως ανακύπτει με το συγκεκριμένο σύστημα προσδιορίζεται σε δύο κυρίως παραμέτρους: α) Αν και παρουσιάζεται σταθερός δεσμός μεταξύ οστού και πρόθεσης, σε μελέτες σε πειραματόζωα φάνηκε ότι η μακροχρόνια επιβίωση τέτοιου δεσμού ήταν προβληματική από μηχανική άποψη, λόγω της αδυναμίας του στρώματος γέλης πυριτίου που βρίσκεται υπό το στρώμα απατίτη να φέρει φορτίο ανατρέποντας την ανένδοτη μορφή της πρόθεσης. 56

68 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ β) Ακόμα και αν παραβλεφθεί το γεγονός αυτό, οι μηχανικές ιδιότητες των ίδιων των βιοδραστικών υάλων υπολείπονται του απαιτούμενου ορίου για εφαρμογή σε κλινικές αποκαταστάσεις λόγω της μεγάλης ευθραυστότητας, και ανελαστικότητας τους, καθιστώντας τέτοιου τύπου προσεγγίσεις κατάλληλες μόνο για πειραματικά πρότυπα έρευνας ανάπτυξης δεσμού μεταξύ υλικών και ιστών γ ανάπτυξη πορώδους οστικής μικροδιείσδυσης (porous bony ingrowth') Μια προσπάθεια προώθησης της αντίληψης της βιολογικής μεσόφασης με ταυτόχρονη εφαρμογή τσιμέντου ξεκίνησε το Η προσπάθεια αυτή βασίστηκε στην χρήση εποξυ ρητινών με εγκιβωτισμένα σωματίδια οξειδίου του Αργιλίου. Ωστόσο, οι σχηματιζόμενοι πόροι ήταν μικροί (18μπι) και το αποτέλεσμα απογοητευτικό μια και δεν έδιναν την δυνατότητα ανάπτυξης οστίτη ιστού μέσα στο υλικό ακινητοποίησης. Θεωρητικά η τεχνική εκτός από τα προβλήματα αυτά τα οποία ξεπεράστηκαν με την σχεδίαση που επέτρεπε μεγαλύτερους χώρους ( μιη), δεν μπορούσε να παρακάμψει το γεγονός ότι κατά τον κανόνα του Wolff το οστούν θα έπρεπε να υποβάλλεται σε φορτίο ώστε να αποφευχθεί απορρόφηση του λόγω ατροφίας (stress shielding atrophy) (Pilliar, 1992). Πρακτικά, κλινικά προβλήματα επίσης επέβαλλαν στους δέκτες αυτών των προθέσεων μακρείς χρόνους ακινητοποίησης (ανάπαυσης) και αποφυγή φόρτισης μέχρις ότου οι μηχανικές αντοχές της μεσόφασης καταστούν ικανοποιητικές με βάση σταθερές γνωστές τιμές φόρτισης του συστήματος κατά την καθημερινή δραστηριότητα. Το γεγονός ότι ταυτόχρονα δεν αναπτύχθηκε μια μη επεμβατική μέθοδος αξιολόγησης των μηχανικών χαρακτηριστικών του δεσμού των μεσοφασικών στοιχείων, και η εξαιρετικά μεγάλη χρονική διακύμανση που βρέθηκε για την δημιουργία ασφαλούς ακινητοποίησης και ο αυξημένος ρόλος μεταβλητών 57

69 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ όπως ηλικία, φύλο, ιστορικό φόρτισης καθιστούσαν τον χειρισμό τέτοιων περιπτώσεων ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα. Προσπάθειες αποφυγής των προβλημάτων επικεντρώνονταν στις παρακάτω μεθόδους: α) Επικάλυψη πόρων με κεραμικά, και άνθρακα. Το πρόβλημα σε αυτήν την περίπτωση ανακύπτει από την ανομοιογένεια της μεσόφασης, την ελλιπή σταθερότητα των επικαλύψεων, καθώς και των διαφορετικών μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων τους από αυτές του υποστρώματος με προεξάρχοντα αυτόν του συντελεστή θερμικής διαστολής. β) Επικάλυψη με πορώδη πολυμερή. Αν και η προοπτική αυτή προσφέρει μεγαλύτερη ομοιογένεια στην κατανομή φορτίου της πρόθεσης, επιθυμητή φόρτιση των αναπτυσσομένων οστικών διεισδύσεων στην επιφάνεια του εμφυτεύματος για την αποφυγή απορρόφησης τους, καθώς και αυξημένη αντι-οξειδωτική δράση, η ασθενής μηχανικά μεσόφαση της επικάλυψης είναι ένα μειονέκτημα που μπορεί να επηρεάσει την συμπεριφορά του υλικού δραματικά. γ) Πορώδης διείσδυση με PEMF. Μολονότι η τεχνική βάση της μεθόδου έχει εφαρμοστεί σε κατάγματα με καλά αποτελέσματα και διάφορες πιλοτικές μελέτες στα τέλη της δεκαετίας του '80 έδειξαν ικανοποιητικά αποτελέσματα, δεν έχει διαδοθεί σαν θεραπευτική μέθοδος περαιτέρω. δ) Οι απόπειρες να αυξηθεί η αντοχή του στρώματος τσιμέντου περιλαμβάνουν και τη χρήση σύρματος από ανοξείδωτο χάλυβα γύρω από το στειλεό με αποτέλεσμα τη μείωση κατά 50% το μέτρο της μέγιστης τάσης τοπικά (Grosland et al, 1995). Η σημαντικότερη ίσως ενδογενής παράμετρος επιτυχίας της πρόθεσης είναι η αποφυγή κινήσεων και η επερχόμενη μηχανική διατάραξη της μεσόφασης ενδοπρόθεσηςοστού κατά τη φάση της επούλωσης. Έρευνες έχουν προσδιορίσει ότι σε μοντέλα με ΠΟΜ 58

70 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ επιτυγχάνεται ανένδοτη ακινητοποίηση μετά από περίοδο 3-4 εβδομάδων με δεδομένη την βιοσυμβατότητα των υλικών και επιλογή μεγέθους πόρων ικανών να επιτρέψουν ανάπτυξη και σχηματισμό οστού. Η ελαστική πρόθεση από πλευράς κίνησης επιτείνει τον σχηματισμό ινώδους συνδετικού ιστού ο οποίος έχοντας ρυθμούς πολλαπλασιασμού και διαφοροποίησης ταχύτερους του οστού καταλαμβάνει τους πόρους σχηματίζοντας δεσμίδες κολλαγόνου σε διάταξη και προσανατολισμό τέτοιο ώστε να ανθίστανται στις εφαρμοζόμενες τάσεις. Ο Charnley ήταν από τους πρώτους που παρατήρησε ότι οι βίδες οστού που παρουσίαζαν μεγάλη κινητικότητα έτειναν να περιβάλλονται από συνδετικό ιστό. Ιστολογική εξέταση τέτοιου τύπου μεσοφάσεων έχει δείξει ότι αυτός ο τύπος είναι παρόμοιος με τις ίνες του Sharpey οι οποίες ανευρίσκονται σε περιοδοντικές μεμβράνες δοντιών και συνδέουν την ρίζα με το φατνιακό οστούν (Pilliar, 1992). Με αύξηση ωστόσο του εύρους και διάρκειας των κινήσεων εγκαθίσταται ινώδης ιστός που αποτυγχάνει να διεισδύσει στις εσοχές της επιφάνειας της πρόθεσης. Ο παρακάτω πίνακας που αναφέρεται από τον Brunski (1992) παρουσιάζει συγκεντρωτικά αποτελέσματα ερευνών που είχαν ως αντικείμενο την ανάλυση της επίδρασης της μικροκίνησης των συστατικών στοιχείων της μεσόφασης οστού-βιοΰλικού στην μεσοφασική ιστολογική εικόνα. 59

71 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 4.4 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΡΩΪΜΗΣ ΤΟΡΤΙΣΗΣ ΣΕ ΜΕΣΟΤΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΜΤΥΤΕΥΜΑΤΩΝ* ΥΛΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΥΠΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΗ ΕΜΤΥΤΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΜΕΣΟΨΑΣΗΣ Δόντια από ΡΜΜΑ Λεπίδες Ti Λεπίδες Vitallium Εποζικά δόντια Δόντια από Bioglass Βίδες Ti Βίδες Ti Βίδες ΑΙ Πορώδεις σφήνες TÌ-6A1-4V Λεπίδες Ti Γνάθοι πιθήκων Γνάθοι σκύλων Γνάθοι σκύλων Γνάθοι πιθήκων Πίθηκοι Γνάθοι σκύλων Γνάθοι ανθρώπων Γνάθοι πιθήκων ΤΟΡΤΙΣΗΣ (μήνες) (ΙΣΤΟΣ) Ινώδης Ινώδης Ινώδης Ινώδης Ένασβεστιωμένος ΕνασΒεστιωμένος ΕνασΒεστιωμένος ΕνασΒεστιωμένος Γνάθοι πιθήκων Γνάθοι σκύλων 1-2 Χωρίς φόρτιση ΕνασΒεστωμένος Ενασβεστιωμένος # Παραλλαγμένο από Brunski, Influence of Biomechanical Factors at the Bone-Biomaterial Interface, από Davis (ed) The Bone-Biomaterial Interface, University of Toronto Press, 1992) Η παρουσιαζόμενη ατροφία και απορρόφηση οστού λόγω κάλυψης τάσεων (stressshielding atrophy) σε περιπτώσεις απουσίας φορτίσεως, επιβάλλει ωστόσο την ανάγκη ορισμού ενός ανεκτού εύρους κινήσεων που θα επιτρέπουν την ανάπτυξη οστού. Οι Kenwright και Goodship (1989) σε σχετικές έρευνες επούλωσης καταγμάτων διαπίστωσαν ότι ελεγχόμενη φόρτιση σε μοντέλα ζώων (πρόβατα) 500 κύκλων με ρυθμό 0.5 Hz για 17 λεπτά και περίοδο 10 εβδομάδων αρχόμενη μία εβδομάδα μετά από προκληθέν κάταγμα, είχε ως αποτέλεσμα την επίταση μεταβολισμού με θετικό ισοζύγιο σχηματισμού οστού. Επεκτεινόμενοι σε κλινικές έρευνες είδαν ότι 1 mm μετατόπιση σε εξωτερική ακινητοποίηση με συχνότητα 0.5 Hz και για 30 λεπτά καθημερινά, είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού επούλωσης ακτινογραφικά. Αν και το είδος της μετατόπισης σε κλινικές έρευνες είναι εξαιρετικά δύσκολο να προσδιοριστεί ακριβώς, ένα εύρος κινήσεων της τάξεως των μιη φαίνεται ότι έχει θετική επίδραση στην επούλωση καταγμάτων. 60

72 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Σε εφαρμογές εμφυτευμάτων ωστόσο οι παράμετροι που υπεισέρχονται διαφοροποιούν την προβλεψιμότητα του αποτελέσματος μιά και από τις ελάχιστες αναφορές απποδεικνύεται ότι μετατοπίσεις μεγαλύτερες των 150 μιιι οδηγούν σε ινώδη μικροδιείσδυση σε κράματα Co-Cr-Mo με 35% πορώδη επικάλυψη και μέση διάμετρο πόρων μπι (Pilliar, 1987)). Οστική μικροδιείσδυση, αντίθετα, παρουσιάζεται με μετατοπίσεις μικρότερες των 30 μπι σε μοντέλα σκύλων. Ο σχεδιασμός των εμφυτευμάτων επίσης πρέπει να παίζει σημαντικό ρόλο αφού οι Maniatopoulos και συν. (1986) έχουν δείξει óu παρόμοιες τάσεις και παράμετροι εμφύτευσης έχουν διαφορετικό αποτέλεσμα στην ανάπτυξη ΠΟΜ αναλόγως με την αρχιτεκτονική της επιφάνειας του στειλεού σε πειραματικά μοντέλα με οδοντιατρικά εμφυτεύματα επικάλυψη με ψεκασμό πλάσματος υδροζυαπατίτη. Στις περιπτώσεις αυτές μετά από ανάπτυξη οστού σε όμορες περιοχές με το εμφύτευμα, παρατηρούνται δύο κυρίως ζώνες οστεοποίησης οι οποίες περιλαμβάνουν αυτές της εγγύτερης περιοχής στην ενδοστική μάζα (επαφής) και τις περιοχές μακρόθεν αυτής (χωρίς επαφή). Στην πρώτη ανευρίσκεται νέο συμπαγές οστούν το οποίο και επικαλύπτει το στρώμα HA, ενώ στην δεύτερη κατηγορία δευτερογενές ή δοκιδώδες οστούν περιβάλλει τον στηλεό της ενδοπρόθεσης με κατεύθυνση των δοκίδων παράλληλη μεταξύ τους και ως προς την επίστρωση. Οι διαφορές αυτές διαπιστώνονται τόσο ιστολογικά όσο και ακτινογραφικά. Στην περιοχή επαφής, διακρίνονται σαφώς διαφοροποιημένα Χαρβεσιανά συστήματα και συμπαγές οστούν με έλλειψη βόθρων, ενώ στην δεύτερη περίπτωση είναι έκδηλη η επικράτηση του δοκιδώδους τύπου οστού με διάταξη δοκίδων και δομή όμοια με αυτήν που συναντάται σε οστούν μετάφυσης με ακτινογραφική εικόνα αραχνοειδούς δικτύου. 61

73 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Γενικά στις εφαρμογές HA απουσιάζει η παρεμβολή συνδετικού ιστού γεγονός που οφείλεται στον οστεο-τροπισμό και επίταση δημιουργίας οστού στη μεσόφαση από το HA μέσω της προσκόλλησης μεσεγχυματικών κυττάρων που διαφοροποιούνται σε πρόδρομες μορφές οστεοειδούς και φυγόκεντρη, σε σχέση με το HA, οστεοποίηση. Αν και κατά συνθήκη ο τύπος οστεοποίησης στα μακρά οστά είναι αυτός της ενδόχονδρης και η επούλωση τραυμάτων ή κατάγματος περνά από τα στάδια δημιουργίας κάλου και το στάδιο χόνδρου, συνήθως τέτοιες μορφές δεν απαντώνται σε HA προθέσεις αλλά παρουσιάζεται ενδομεμβρανώδης οστεοποίηση. Συγκεντρωτικά, τα προβλήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή ενδοπροθέσεων χωρίς τσιμέντο προκύπτουν από τρεις βασικούς παράγοντες Πρώτον, η ακινητοποίηση εξαρτάται πλήρως από την καλή επαφή και εφαρμογή της πρόθεσης στον παρασκευασθέντα χειρουργικά μηριαίο αυλό. Έτσι οι διαστάσεις και το σχήμα του μοντέλου αποκτούν εξαιρετικά βαρύνουσα σημασία όπως και το σχήμα και οι διαστάσεις της παρασκευής, συμβάλλοντας στην δημιουργία μίας εξαιρετικά τεχνικώς ευαίσθητης μεθόδου. Παρ' όλες τις προόδους στον τομέα της σχεδίασης αυτών των προθέσεων η μετεγχειρητική σταθερότητα και ακινητοποίηση είναι προβληματικές, με αποτέλεσμα την πρόκληση πόνου σε κινήσεις λόγω μικροκινήσεων του εμφυτεύματος, οι οποίες αναστέλλουν και την διαδικασία της πορώδους οστικής μικροδιείσδυσης. Δεύτερον, η αντιδραστική προσαρμοστική ικανότητα του οστού να μεταβολίζεται κατά τη διεύθυνση της προκληθείσας από τάση παραμόρφωσης, αποκτά επίσης σημαντική σημασία και ως μη ελεγχόμενη εξωγενώς συνιστά μη προβλέψιμη παράμετρο αποτυχίας της πρόθεσης. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην σχετικά ανένδοτη φύση και σχεδίαση των 62

74 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ προθέσεων που μεταφέρει τις ασκούμενες τάσεις στο οστούν, καθώς και στην ατροφία από ανεπαρκή φόρτιση στις περιπτώσεις οστικής μικροδιείσδυσης και την ακολουθούμενη απορρόφηση. Τέλος, σε περιπτώσεις που οι προθέσεις έχουν επιτυχώς πλήρως ακινητοποιηθεί είναι πολύ δύσκολο να αφαιρεθούν εάν τούτο καταστεί αναγκαίο όπως σε νέα άτομα όπου άλλωστε η τοποθέτηση τους αποτελεί ένδειξη λόγω της αναμενόμενης ευνοϊκής αντίδρασης του οργανισμού και όπου όμως το προσδόκιμο λειτουργικής επιβίωσης της πρόθεσης δεν καλύπτει αυτό της ζωής, σε επιπλοκές μολύνσεων, αποτυχία λόγω θραύσης K.U. Ειδικά στην περίπτωση της επιτυχούς οστικής πορώδους μικροδιείσδυσης, η αφαίρεση των προθέσεων απαιτεί πολύ πιό εργώδη και περιπλεγμένη επέμβαση με αναγκαστική αφαίρεση και συμπαρασυρόμενης οστικής μάζας ακινητοποίηση με τσιμέντο 4.6.2α τσιμέντο Γενικά η χρήση του τσιμέντου στην αρθροπλαστική επιτελεί έργο υποδοχής μεταφοράς των φορτίων από την πρόθεση στο οστούν και κατά την πρόθεση-τσιμέντοοστούν σύστημα. Παρ' όλη την ευρεία εφαρμογή του, η χρήση του συνοδεύεται από κύρια μειονεκτήματα (Lewis, 1997) όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Ωστόσο, στις Η.Π.Α. κυκλοφορούν τουλάχιστον έξι σκευάσματα τσιμέντου που αποτελούν ελαφρά παραλλαγμένες τροποποιημένες συνταγές με μοναδικές διαφορές την ακτινοσκιερή ουσία που στο Palacos είναι ζιρκόνια ενώ σε όλα τα άλλα θειικό Βάριο, καθώς και διάφορα μοριακά βάρη: Simplex 63

75 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Ρ, Palacos R (Smith & Nephew Orthopaedics, TN), CMW-1 και CMW-3 (Wright Medical Technology, TN). Οι μεσόφασεις που δημιουργούνται με τη χρήση τσιμέντου ως μηχανισμό ακινητοποίησης περιλαμβάνουν τις: α) οστού-τσιμένου, και β) τσιμένου-πρόθεσης. Τα προβλήματα της πρώτης μεσόφασης δεν είναι δυνατόν να παρακαμφθούν εύκολα όπως έχει αναφερθεί παραπάνω. Αυτά περιλαμβάνουν: την τοξικότητα του ιιονομερούς, το μεγάλο ποσό εκλυόμενης ποσότητας θερμότητας από την ισχυρή εξώθερμη αντίδραση του υλικού που σημειωτέον έρχεται σε απευθείας επαφή με τους περιβάλλοντες ιστούς, τους περιορισιιούς των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού που περαιτέρω αυξάνονται από τον ατελή πολυμερισμό λόγω του περιβάλλοντος και των εκεί υπαρχουσών αντεδεικνυόμενων συνθηκών πολυμερισμού (όξινο ph λόγω τραύματος, υγρό περιβάλλον), και τον εγκλωβισμό φυσαλλίδων αέρα κατά την ανάμιξη του υλικού, το μεγάλο χρόνο αντίδρασης σε μη τυποποιημένο βιομηχανικό περιβάλλον από το οποίο προκύπτουν υλικά των οποίων χαρακτηριστικά αναφέρονται σε σχετικούς πίνακες, αποτελούν τις μεγαλύτερες δυσκολίες. Δεν είναι τυχαίο ότι 40% των αποτυχιών αποδίδονται στο τμήμα του εμφυτεύματος που καλύπτεται από τσιμέντο (Lewis, 1997). Οι αποτυχίες αυτές οφείλονται είτε στην θραύση 64

76 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ του τσιμέντου καθ'αυτού, είτε στην αποδόμηση της μεσόφασης του με το κράμμα μέσω ανάπτυξης μικρορωγμών καν τελικά καταγμάτων στη μάζα του. Το πρόβλημα της κλινικής χρήσης και πολυμερισμού του ΡΜΜΑ in vivo προκύπτει από δύο βασικούς παράγοντες: α) την εξώθερμη αντίδραση πολυμερισμού και το συνεπαγόμενο εκλυόμενο ποσό θερμότητας στους ιστούς, και β) το υπολοιπόμενο μονομερές που απελευθερώνεται σε περιβάλλον αντίδρασης με συνθήκες που απέχουν των ιδανικών εργαστηριακών όπως υγρασία, διαφοροποιήσεις ph. Συνεπώς οι ιδιότητες του πολυμερούς που δημιουργείται σε αυτές τις συνθήκες αναμένεται να διαφέρουν από τις παραμέτρους που ανευρίσκονται στο εργαστήριο και αναφέρονται ως σταθερές χαρακτηριστικές του ιδιότητες. Η τριάδα των σημείων όπου πιθανολογείται ότι ξεκινά η διαδικασία της χαλάρωσης δηλαδή οι μεσοφάσεις τσιμέντου-οστού, τσιμέντου-μετάλλου και στρώμα τσιμέντου, αναδεικνύουν την πολυπλοκότητα του φαινομένου καθώς υπεισέρχονται μηχανικοί παράγοντες και βιολογικές παράμετροι στο φαινόμενο. Παρακάτω παρουσιάζονται τα προβλήματα που προκύπτουν με τέτοιου τύπου ακινητοποίηση και περιγράφονται οι βασικές θεωρίες χαλάρωσης και αποτυχίας των αρθροπλαστικών. Η πιο σημαντική ίσως μεσόφαση για τη δημιουργία αποτυχιών είναι αυτή της πρόθεσης-τσιμέντου αν και αυτό φαίνεται παράξενο υπό την έννοια ότι θα ήταν αναμενόμενο με τις βλαπτικές επιδράσεις του τσιμέντου στο οστούν, να υπάρχουν προβλήματα με τη μεσόφαση οστού-τσιμέντου. Είναι πιθανόν οι επιδράσεις αυτές αν και φαίνονται σημαντικές, να κινούναι στα όρια ανοχής του οργανισμού. Επομένως εξαιρετική σημασία για την 65

77 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ λειτουργία της άρθ^ρωσης έχουν μηχανικά μέρη της πρόθεσης που εντοπίζονται στο μεταλλικό στειλεό και το τσιμέντο β μεσόφαση τσιμέντου-πρόθεσης (μετάλλου) Ο Charnley πίστευε ότι το χάσμα στειλεού-ακρυλικού (Stem-Acrylic Gap-SAG) ευθύνεται σε μεγαλύτερο ποσοστό για τις αποτυχίες από ότι οι κλινικοί πίστευαν τότε. Παρότι οι έρευνες επανάκτησης αποφαίνονται ότι το χάσμα αυτό έφθανε μέχρι και το 40% των περιπτώσεων, η εξαιρετικά μεγάλη διακύμανση των τιμών δεν επέτρεπε τον προσδιορισμό της ευθύνης του (Charnley, 1979). Σε μελέτες post-mortem ωστόσο έχει ανευρεθεί ότι σε Charnley-Muller μοντέλα ΟΑΙ το χάσμα εκαλύπτετο από ένα λεπτό στρώμα ινώδους ιστού. Η ακολουθία της χαλάρωσης ξεκινούσε από τη σχετική δυνατότητα μικρο-κινήσεων που ανεχόταν το μοντέλο λόγω του χάσματος και τα συνεπαγόμενα φαινόμενα οστικής απορρόφησης όπως ανωτέρω εκτίθενται. Η δημιουργία του χάσματος έγινε προσπάθεια να αποδοθεί σε διάφορες παραμέτρους: Πρώτον η κατακόρυφη φόρτιση δίκην κυλίνδρου σε αεροθάλαμο (pistoning action) του στειλεού της πρόθεσης θεωρήθηκε ότι θα μπορούσε να δημιουργήσει μικρορωγμές στην κονία λόγω αναπτυσσόμενων εφελκυστικών τάσεων. Το πρόβλημα με την υπόθεση αυτή ανέκυψε από την ελλιπή υποστήριξη της από δεδομένα αυτοψιών αρθροπλαστικών, τα οποία δεν αποκάλυπταν τέτοιες ρωγμές. Μία άλλη θεωρία που προτάθηκε και ενέχει την κόπωση του συστήματος στειλεού-τσιμέντου η οποία παρουσιάζεται και σε πειραματικά πρότυπα στην ανάπτυξη χασμάτων χωρίς την κατά συνθήκη δημιουργία ακτινογραφικώς διαπιστούμενων ρωγμών, φαίνεται ότι παρουσιάζει μεγαλύτερη πιστότητα (McCoramck and 66

78 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Prendergast, 1999). Η εμφάνιση των χασμάτων αυτών είναι πιθανόν να προέρχεται από τον ερπυσμό της κονίας ή από πλαστική της παραμόρφωση μετά από φόρτιση πάνω από το όριο αντοχής. Εξετάζοντας την κόπωση του τσιμέντου σε προσομοιωμένο περιβάλλον οι McCormack and Pendergast (1999) για πρώτη φορά ανέδειξαν την συγκέντρωση 1373 ρωγμώσεων σε δοκίμια τσιμέντου υποβληθέντα σε περίπου 5 εκατομμύρια κύκλους φόρτισης. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας κατατείνουν στο να προβάλλουν τη σημαντική παράμετρο της κόπωσης του τσιμέντου και του ιστορικού φόρτισης του ως προς την πιθανότητα αποτυχίας του υλικού. Έχει ακόμα δειχθεί ότι δοκίμια τσιμέντου πολυμερισμένα σε κανονικές συνθήκες -οι οποίες είναι βελτιστοποιημένες σε σχέση με τις υπάρχουσες in vivo- είναι δυνατόν να υποστούν 0.2% παραμόρφωση, μία τάξη μεγέθους που μπορεί να αναχθεί σε μηι. Συμπληρωματικά, άλλοι ερευνητές εξετάζοντας την συμπεριφορά του τσιμέντου σε στατική και κυκλική φόρτιση (on-off loading) με μέγιστο όριο φόρτισης τα 2100 Ν, αποφάνθηκαν ότι η συμπιεστική τιμή της προκαλούμενης μεταβολής διαστάσεων ανήρχετο σε 106 μηι με αναπτυσσόμενο υπολοιπόμενο ερπυσμό 70μηι. Το σημαντικό στην συγκεκριμένη έρευνα έγκειται στο γεγονός ότι οι τιμές αυτές καταγράφηκαν μετά μόνο 7 κύκλους και ότι το χάσμα ήταν σε τιμές συγκρίσιμες με την τάξη μεγέθους ανευρισκόμενη σε έλεγχο αρθροπλαστικών το οποίο και κυμαίνεται μεταξύ μηι. Φαίνεται λοιπόν εύλογο το ότι το SAG προέρχεται είτε από συνεχιζόμενη "ροή" υλικού κάτω από σταθερό φορτίο, είτε από πλαστική παραμόρφωση από υπέρμετρη τάση εξασκούμενη στο εγγυς-άπω επίπεδο του στρώματος του τσιμέντου. Δεδομένα από μελέτες με τρισδιάστατα μοντέλα ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Analysis) δεικνύουν ότι η φόρτιση στις περιοχές αυτές φθάνει τα 3 MPa στην θέση όπου ασκούνται 67

79 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ εφελκυστικές τάσεις, ενώ αντίστοιχα στην αντιδιαμετρική θέση η μέγιστη συμπιεστική τάση ανέρχεται στα 10 MPa. Μοντέλα που προσομοιώνουν κλινικές συνθήκες μόνο από την άποψη της περιγραφής των τάσεων και όχι από αυτήν των συνθηκών πολυμερισμού του υλικού, αναφέρουν ότι οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται στο άπω τμήμα του στειλεού σε κανονικά ακινητοποιημένη και χαλαρή πρόθεση ανέρχονται σε αντίστοιχα, δηλαδή η παραμόρφωση σε χαλαρή σύνδεση είναι 28% αυξημένη, γεγονός που είναι δυνατόν να επιβαρύνει περαιτέρω την πρόγνωση της πρόθεσης, προσδιορίζοντας την εξάρτηση του φαινομένου και από το χρόνο (Crowninshield and Talbot, 1980). Ωστόσο αυτές δεν είναι οι μεγαλύτερες τιμές που έχουν αναφερθεί μια και στην εγκάρσια διεύθυνση παραμορφώσεις έδειξαν αύξηση 78% στην χαλαρή σε αντίστοιχες συνθήκες. Μολονότι οι τιμές είναι δραματικά μεγάλες οι συγγραφείς αναφέρουν ότι σε παράλληλο ακτινογραφικό έλεγχο με σκοπό να διαπιστωθεί η ευαισθησία της κλινικής μεθόδου διάγνωσης της παρουσιαζόμενης διαύγασης, βρέθηκε ότι το όριο ευαισθησίας τέτοιας μεθόδου δεν περνούσε το mm, μέγεθος που είναι φορές μεγαλύτερο της ανευρεθείσας τιμής του χάσματος σε αυτοψίες. Η διαφορά αυτή παρουσιάζεται προφανώς λόγω της μακροσκοπικής εικόνας, της παρεμβολής της θέσης του στειλεού και εγγενών αδυναμιών που σχετίζονται με την ακτινογραφική εικόνα τοπικά. Έτσι προθέσεις με χάσματα μέχρι και 600 μηι είναι δυνατόν να διαφεύγουν τον έλεγχο, και να φαίνονται ακτινογραφικά ικανοποιητικές, με αποτέλεσμα όταν πια διαπιστώνεται χαλαρότητα το φαινόμενο να βρίσκεται σε προχωρημένο στάδιο. Προς επίρρωσιν των ανωτέρω οι Wang et al (1999) μέτρησαν το χάσμα σε μοντέλο ζώου (χοίρος) αμέσως μετά την τοποθέτηση του εμφυτεύματος και βρήκαν ότι αυτό

80 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ αντιπροσώπευε 10-15% της περιφέρειας των μεσοφάσεων τσιμέντου μετάλλου και τσιμέντου οστού, ενώ το εύρος των μικρορωγμωειδών χασμάτων έφθανε το 100 μικρά. Σχετικά πρόσφατες προσπάθειες ανάσχεσης της εγκατάστασης πορώδους στο τσιμέντο, περιλαμβάνουν την θέρμανση του στειλεού μέχρι της θερμοκρασίας των 44 C με σκοπό τη μείωση της συστολής πολυμερισμού και των τάσεων που αναπτύσσονται κατά την επαφή του τσιμέντου με το κράμα, ενώ η διαδικασία θέρμανσης δεν ανεβάζει την θερμοκρασία του οστού τοπικά (Bishop et al, 1996). Ένας πρόσθετος προβληματισμός πηγάζει από το γεγονός ότι στη διάρκεια των καθημερινών κινήσεων αναπτύσσονται σύνθετα φορτία τα οποία σε περιπτώσεις ανάβασης κλίμακος και ανόρθωσης από κάθισμα φθάνουν σε εξαιρετικά υψηλές τιμές με τάση στρέψης. Η μετάδοση της τάσης κατά μήκος της μεσόφασης στειλεού-τσιμέντου έχει ως αποτέλεσμα την απόσπαση του τσιμέντου από το κράμα και τη θραύση λόγω κόπωσης. Οι Davies et al (1992) μελετώντας το φαινόμενο, παρατήρησαν ότι η επικάλυψη του στειλεού με λεπτό στρώμα ΡΜΜΑ αυξάνει σημαντικά την αντοχή στην κόπωση. Περαιτέρω έρευνα όσον αφορά σε επικαλύψεις πολυμερών οδήγησε στην πρόταση της επικάλυψης με ενισχυμένο ΡΜΜΑ οδήγησε στην παρατήρηση ότι εργαστηριακά το υλικό συμπεριφέρεται καλύτερα από το συμβατικό (Wright et al., 1998). Στην ίδια κατεύθυνση οι Ohashi et al (1998) μελέτησαν τα σύνθετα φαινόμενα κόπωσης της μεσόφασης προτείνοντας το μέγεθος της ενέργεια θραύσης της μεσόφασης που εξαρτάται από τη μορφολογία της μεσόφασης με τις αδρές επιφάνειες να προσφέρουν μεγαλύτερη αντοχή, το μήκος επαφής και τον τρόπο φόρτισης γ προεπικάλυψη στειλεού με ΡΜΜΑ

81 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Το σκεπτικό της ανάπτυξης αυτής της μεθόδου βασίστηκε στην προσπάθεια δημιουργίας ισχυρής μηχανικά μεσόφασης μετάλλου-τσιμέντου με σκοπό την μεγαλύτερη αντοχή. Αν και λογικά ήταν εύλογη αυτού του τύπου η προσέγγιση, στην ουσία η βιβλιογραφία δεν παρείχε επαρκή στήριξη με μελέτες που να δείχνουν ότι η απόσπαση του τσιμέντου από το εμφύτευμα είναι συστατικό στοιχείο της διαδικασίας χαλάρωσης και επομένως συνιστά το αδύνατο σημείο της πρόθεσης. Αυτή η ένσταση αντικατροπτίζεται σε μελέτες που δεν έδειξαν μακροχρόνια (πέραν της 5-ετίας) αξιόλογα ποσοστά βελτίωσης της πρόγνωσης και επιβίωσης της ενδοπρόθεσης. Αντίθετα, εργασίες τόσο θεωρητικής προτυποποίησης με ανάλυση τάσεων (Mann et al, 1992) όσο και εφαρμοσμένες κλινικές μελέτες (Gardiner and Hozack, 1994) έδειξαν τα προβλήματα που υπεισέρχονται με τέτοιου είδους παραλλαγή και τα οποία εντοπίζονται σε σημαντικά μεγάλες τάσεις που αναπτύσσονται στην πρόθεση και επιφέρουν πρώιμη έναρξη της χαλάρωσης. Η επιφανειακή αδρότητα του στειλεού φαίνεται ότι εμπλέκεται στην αντοχή της μεσοφασικής συνέχειας της μεσόφασης τσιμέντου-στειλεού. Οι Shepard et al (2000) εξετάζοντας την επαφή των δύο αυτών μερών της πρόθεσης βρήκαν ότι στους αδροποιημένους στειλεούς οι οποίοι έχουν επικαλύψεις πολυμερών (ΡΜΜΑ) το τσιμέντο θα πρέπει να τοποθετείται νωρίτερα από την επίτευξη του σταδίου ζύμης ή πάστας ώστε να διαβραχεί καλύτερα η επιφάνεια του στειλεού με το ΡΜΜΑ. Αντίθετα, σε λείες επιφάνειες κραμάτων το τσιμέντο μπορεί να τοποθετηθεί και στο στάδιο ζύμης. Ορισμένα προβλήματα μπορεί να ανακύψουν σε σχέση με την μεγάλη περιεκτικότητα σε μονομερές και την πιθανότητα απελευθέρωσης του όταν τοποθετείται νωρίς. Από την άλλη μεριά έχει δειχθεί ότι η καθυστερημένη τοποθέτηση αυξάνει τον ερπυσμό περίπου 5 φορές σε 24 ώρες (Norman et al., 1997). Γενικά η σύσταση των Bayne 70

82 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ και συν. (1977) για αποφυγή της προσπάθειας μείωσης της απελευθέρωσης μονομερούς μέσω του ελέγχου του χρόνου τοποθέτησης θα πρέπει να ωθήσει το ερευνητικό ενδιαφέρον στην εφαρμογή παραμέτρων που δεν είναι εξαρτώμενες από τον χειριστή. Η χρήση συμπολυμερών με μικρότερο μοριακό βάρος καιμεγαλύτερο βαθμό μετατροπής διπλών δεσμών ίσως συμπεριλαμβάνεται στις μελλοντικές λύσεις ακολουθώντας το παράδειγμα των οδοντιατρικών υλικών για μια ακόμα φορά. Τέλος οι μελλοντικές μέθοδοι αύξησης της επαφής και συνάφειας του τσιμέντου με το μέταλλο του στειλεού πιθανόν να περιλαμβάνουν και τη χρήση σιλανίων ή επιχρισμάτων που δημιουργούν χημική συγκόλλησησ μεταξύ των δύο στοιχείων. Αυτή η προοπτική έχει εφαρμοσθεί ήδη στην οδοντιατρική με σκοπό τη συγκόλληση ΡΜΜΑ οδοντοστοιχιών σε κράμματα (Ohkubo et al, 2000) Τσιμέντο Σημαντικό ρόλο στην κινητική της αντίδρασης πολυμερισμού το σχήμα και ο μέγεθος των κόκκων του ΡΜΜΑ. Έρευνες (Pascual et al, 1996) απέδειξαν óu μέσα μεγέθη διαμέτρου κόκκων μπι με κυμαινόμενο εύρος κατανομής μπι επιδρούν σημαντικά στην εξώθερμη της αντίδρασης και στον χρόνο πήξης χωρίς σημαντικές αλλαγές στην εφελκυστική, συμπιεστική αντοχή και στο μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Μιά άλλη παράμετρος που αξίζει να σημειωθεί αφορά στην επίδραση φαρμακολογικών προσθέτων και ακτινοσκιερών ουσιών στις μηχανικές ιδιότητες του τσιμέντου. Σχετικές μελέτες (Molino και Topoleski, 1996) έδειξαν ότι το ακτινοσκιερές τσιμέντο επέδειξε ρυθμούς ανάπτυξης και προώθησης ρωγμών μία τάξη μεγέθους 71

83 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ μικρότερους από αυτούς του ακτινοδιαυγούς με παρόμοια κατά τα άλλα εικόνα καταστροφής και πανομοιότυπο μηχανισμό προόδου της ρωγμής που αναπτύσσεται μέσω των συσσωματώσεων του ΡΜΜΑ. Η αιτιολογία του φαινομένου έγκειται στην πιθανή δημιουργία κενών στη μάζα του ΡΜΜΑ τα οποία δρουν ως αποσοβητές της προόδου της ρωγμής είτε στην αυξημένη παρουσία κόκκων οι οποίοι παρουσιάζουν προσκόμματα στην πορεία της παρόμοια με αυτήν των πολυκρυσταλλικών στερεών στα οποία η επέκταση τέτοιων ατελειών αναχαιτίζεται στα όρια των κόκκων. Παρ' ότι συμβάλλει στη δημιουργία πόρων αφού δεν συνδέεται με τη μήτρα του πολυμερούς αλλά λειτουργεί ως ξεχωριστή φάση. Μια λύση θα ήταν η διασπορά κόκκων θειικού βαρίου με επάλειψη σιλανίου με σκοπό τη σύνδεση του με τη μήτρα του υλικού. Στα οδοντιατρικά πολυμερή έχει βρεθεί ότι η χρήση του γ- μεθακρυλοξυ-προπυλ-τριμεθοξυ σιλανίου συμβάλλει στην αυξημένη αντοχή της σύνθετης ρητίνης επιδρώντας σε πολλές μηχανικές ιδιότητες. Η ανάπτυξη χημικού δεσμού με τις δύο φάσεις του πολυμερούς επιτυγχάνεται μέσω του σιλανίου. Στη λειτουργική ομάδα του το σιλάνιο έχει από το ένα άκρο ομάδες Si-0 οι οποίες αναπτύσσουν δεσμούς υδρογόνου με το νερό που ανευρίσκεται σε όλες τις επιφάνειες στη φύση με τη μορφή υγρασίας, ενώ η χημική του σύνδεση με το πολυμερές γίνεται με ομοιοπολικούς δεσμούς (Eliades et al, 1991). Η δημιουργία μιας μη ομοιογενούς φάσης στο ΡΜΜΑ είναι πιθανόν να διαφοροποιεί τη συμπεριφορά του στη φόρτιση. Απομονωμένα κοκκία πολυμερούς που δεν παρουσιάζουν καλή συνεκτικότητα με τη μήτρα, όταν φορτιστούν ενδίδουν σε μικρότερες πιέσεις σε σχέση με τη μάζα του υλικού (bulk material) με αποτέλεσμα την έναρξη της ρώγμωσης και την πρόοδο της δομικής καταστροφής του υλικού (Willert et al., 1979). Η παραπάνω υπόθεση δρά συνεργιστικά με την πρόταση της αυξημένης τοπικά τάσης με τρόπο που καθιστά την 72

84 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ πιθανότητα λύσης της δομικής ακεραιότητας του τσιμέντου αναπόφευκτη. Οι προσπάθειες που κατά το παρελθόν αποσκοπούσαν στην βελτίωση των ιδιοτήτων του τσιμέντου συμπεριλαμβάνουν τις εξής κατηγορίες: α) Ενσωμάτωση μικρών ποσοτήτων της τάξης του 1-2% κατ' όγκον άνθρακα, γραφίτη (Kim et al, 1994), τιτανίου (Topoleski et al, 1992), UHMWP (Park and Park, 2000), και PMMA σε μορφή ινών (Wright et al, 1998) στην μήτρα του τσιμέντου. Αν και όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενες θεωρήσεις του προβλήματος, οι μέθοδοι αυτές είχαν σχετικά αισιόδοξα αποτελέσματα, υπήρξαν φόβοι για την επίδραση αυτών στην βιολογική συμπεριφορά του τσιμέντου, γεγονός οξύμωρο αν ληφθούν υπ' όψιν η κυτταροτοξικότητα του ΡΜΜΑ κάτω από τις συνθήκες που αυτό εγχύεται στον αυλό του μηριαίου. Τέλος οι απόπειρες να αυξηθεί η αντοχή του στρώματος τσιμέντου περιλαμβάνουν και τη χρήση σύρματος από ανοξείδωτο χάλυβα γύρω από το στειλεό με αποτέλεσμα τη μείωση κατά 50% το μέτρο της μέγιστης τάσης τοπικά (Grosland et al, 1995). Ως αποτέλεσμα, καμμία από αυτές τις συνθέσεις δεν έχει λάβει έγκριση από την FDA για κοινή κλινική χρήση μέχρι το β) Βελτίωση τεχνικών μίξης με σκοπό την ελαχιστοποίηση του πορώδους του υλικού. Αυτές αναλύονται εκτενέστερα παρακάτω και αναφέρονται οι επιδράσεις τους στις μηχανικές ιδιότητες του τσιμέντου (Linden, 1991; Shepard et al, 2000). γ) Διατήρηση του μονομερούς σε χαμηλή θερμοκρασία ώστε να αυξηθεί ο χρόνος εργασίας και να αποφευχθούν οι πόροι στη μάζα του υλικού (Watson et al, 1990). δ) Εισαγωγή νέων συνθέσεων που διαφέρουν από τις υπάρχουσες γενεές τσιμέντου με διαφοροποιήσεις στην στοιχειακή σύνθεση. 73

85 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ε) Χρήση νέων μεθόδων και εργαλείων μεταφοράς ή έγχυσης με σκοπό τον περιορισμό των πόρων (Oates et al., 1995) α T8/viKéç μ,ίζης Οι μέθοδοι μίξης μπορούν να χωριστούν σε μίξη δια χειρός, με φυγόκεντρο, εν κενώ και συνδιασμό μηχανικής μίξης. Στη πρώτη η σκόνη προστίθεται στο υγρό θερμοκρασίας -15 έως 6 βαθμών σε πολυμερές δοχείο και ανακατεύονται με συχνότητα 1-2 Hz για δεύτερα, σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Στη φυγοκεντρισμένη ανάμιξη τα συστατικά αφού αναμιχθούν με το χέρι μεταφέρονται σε σύριγγα η οποία μπαίνει σε φυγόκεντρο και υφίσταται κίνηση για περίπου δεύτερα σε στροφές ανά λεπτό (Wang et al, 1993). Στην ανάμιξη εν κενώ διοχετεύονται τα συστατικά σε ειδικούς μκροθαλάμους (Mixer, Howmedica, Stryker High Vacuum System-Stryker, MITAB-Mitab, Optivac-Mitab, Sterivac- SD, Cemvac, Bonelock, Cemex) με ελαχιστοποίηση της παρεμβολής διαδικασίας εξαρτώμενης από το χειριστή. Οι συσκευές αυτές παρ' ότι λειτουργούν με τις ίδιες βασικές αρχές, παρουσιάζουν διαφορές ως προς τις λεπτομέρειες ανάδευσης (συχνότητα, χρόνος) και μορφή διοχέτευσης του υλικού στον χώρο θαλάμου. Τέλος στην συνδιασμένη ανάμιξη, παρεμβάλονται διάφοροι δονητές στους οποίους τοποθετείται ο υλικό σε μεταλλικά δοχεία, ή έκκεντρα περιστροφικά πεδία που δέχονται το υλικό (Davies et al, 1998). Ο πίνακας 4.5 δεικνύει την εξάρτηση του πορώδους (%) από την τεχνική ανάμιξης όπως παρουσιάζεται από τον Lewis (1997). 74

86 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 4.5 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΝΑΜΠ ΞΗΣ ΣΤΟ ΠΟΡΩΔΕΣ (%) ΤΣΙΜΕΝΤΩΝ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΙΞΗΣ Μονομερές 21 Βα8μών CMW PALACOS 9.70 SIMPLEX Ρ 9.39 ZIMMER REGULAR ZIMMER LVC 5.00 Μονομερές 0 βααμών Μί$η 30 sec Μίζη 120 sec Χειρός Φυγόκεντρος Γενικά οι πόροι χωρίζονται σε μακροπόρους με διάμετρο >1 mm και μικροπόρους με διάμετρο mm και προέρχονται από ενσωμάτωση αέρα κατά τη διαβροχή της σκόνης από το μονομερές, εγκλωβισμό φυσσαλίδων κατά τη μίξη, απελευθέρωση αέρα λόγω πτητικότητας του μονομερούς κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού, και είσοδο αέρα κατά την μεταφορά από το σκέυος-συσκευή ανάμιξης στην σύριγγα έγχυσης. Οι πόροι αυτοί ενώ αποτελούν ευένδοτα σημεία στην κατάρρευση του υλικού όταν εξασκείται πίεση, δρουν ταυτόχρονα και ως αποσοβητές της προόδου ρωγμής με μηχανισμό που ενέχει το κενό που δημιουργούν ως το σημείο περάτωσης της πορείας της ρωγμής και εκτόνωσης της ενέργειας χωρίς τη μεσολάβηση θραύσης (Topoleski et al, 1990). Παρ' όλα αυτά, η περιοχή γύρω από τους πόρους παρουσιάζει υψηλή αναστολή πολυμερισμού λόγω παρουσίας οξυγόνου και επομένως ο χαμηλός βαθμός μετατροπής διπλών δεσμών επιδρά δραματικά στις ιδιότητες και ύπαρξη μονομερούς στο πολυμερισμένο υλικό ενοχοποιώντας τους πόρους για διάφορες ανεπιθύμητες ενέργειες. 75

87 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Σημαντική φαίνεται ότι είναι η επίδραση τηε τεχνικής μίξης στην αντοχή του τσιμέντου όπως παρουσιάζονται στον πίνακα 4.6. Η αντοχή στη θραύση αντιπροσωπεύει την ανοχή του τσιμέντου σε εξωτερική κυκλική φόρτιση ειδικά τη παρουσία ζωνών που παρουσιάζουν ασυνέχεια δομής. Τα ερευνητικά δεδομένα προέρχονται από παρόμοια πειράματα που βασικά πραγματεύονται το θέμα με όμοιες αρχές αλλά παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση τιμών. Συνήθως επιλέγεται ένας ρυθμός φόρτισης της τάξεως των 5mm/min, η αντοχή θραύσης εξαρτάται από το πορώδες του υλικού μια και η Kic σε ανομοιογενή υλικά εξαρτάται από τα υλικό και τη δομή δηλαδή αναλυτικά το σκεύασμα, μέθοδο μίξης, συνθήκες πολυμερισμού και παλαίωσης. Με αυτές τις μεθόδους έχει βρεθεί πως σε ορισμένα σκευάσματα η αντοχή θραύσης αυξάνεται σε σχέση με το πορώδες με ρυθμό MPaV ιη/%πόροι. ΣΚΕΥΑΣΜΑ SIMPLEX Ρ Zimmer LVC ΠΙΝΑΚΑΣ 4.6 ΜΕΣΗ ΑΝΤΟΧΗ ΘΡΑΥΣΗΣ ΜΙΞΗ/ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΔΟΚΙΜΙΑ Χειρός-ζηρό-24 ώρες ΜΑ3ΣΚ Χειρός-υγρό-24 ώρες MP Χειρός-24 ώρες ΜΑ3ΣΚ Χειρός-αέρας-14 ημέρες ΜΑ3ΣΚ Χειρός-φυσιολ. Ορός ΜΑ3ΣΚ 1 ημέρα 7 ημέρες 14 ημέρες Kic ΜΑ3ΣΚ-μονής ακμής, αντοχή κάμψης 3 σημείων, MP-μικρή ράβδος Οι παράγοντες που επηρεάζουν τα αποτελεσμάτων εργαστηριακών ερευνών και οδηγούν σε αναντιστοιχία συνθηκών και άρα αδυναμία συγκριτικών μετρήσεων μεταξύ των εργασιών πηγάζουν κυρίως από α) την ανομοιογένεια των ερευνητικών πρωτοκόλλων ως προς τις συνθήκες 76

88 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ διατήρησης των συστατικών του τσιμέντου, του τρόπου και περιβάλλοντος ανάμιξης (ορός, νερό, αέρας, με φυγόκεντρο σε στροφές ανά λεπτό, με χειροκίνητη μίξη και μεταβαλόμενη συχνότητα κρούσεων, μη σταθερό τρόπο μίξης με αναδευτήρες κυκλικής ή έκκεντρης κίνησης, κτλ) καθώς και η διακύμανση στο σχήμα και διαστάσεις δοκιμίων, και β) τ Π ν ΧΡή "η διαφορετικών μαθηματικών μοντέλων για την ερμηνεία ή και υπολογισμό αποτελεσμάτων μεγεθών που απαιτούν θεωρητικές αναγωγές ως προς χρόνο ή και τιμή μέτρησης, όπως είναι ο χρόνος ζωής του υλικού υπό στατική ή κυκλική φόρτιση σε πειραματικές διατάξεις κόπωσης, και οι τιμές Kic αντίστοιχα. Ως αποτέλεσμα των ανωτέρω χαρακτηριστικών των ερευνητικών διατάξεων που χρησιμοποιούνται, παρατηρείται μια εξαιρετικά μεγάλη διακύμανση στις τιμές των μετρούμενων παραμέτρων η οποία πέρα από τους άξονες των μεταβολών που επέρχονται λόγω συνθηκών ανάμιξης ή γήρανσης, και διακυμάνσεων μεταξύ διαφορετικών εμπορικών τύπων τσιμέντων συμπεριλαμβάνει και την παράμετρο των διαφορών που οφείλονται σε μη αντιστοιχία πρωτοκόλλων (Park, 1983). Συγκεκριμένα σε δοκιμασίες στατικής μονο-αξονικής εφελκυστικής αντοχής οι τιμές που ανευρίσκονται σε διάφορες πειραματικές διατάξεις μεταξύ τσιμέντων παρασκευασθέντων υπό όμοιες συνθήκες αποκλίνουν μέχρι και κατά 100% (27-45Mpa) ενώ το αντίστοιχο μέτρο ελαστικότητας κυμαίνεται μεταξύ MPa. Στη συμπιεστική αντοχή τα αντίστοιχα μεγέθη είναι και MPa, ενώ παρατηρείται και ουσιώδης επίδραση των συνθηκών πολυμερισμού και γήρανσης που λαμβάνει την ίδια τάξη μεγέθους με τις επί μέρους μεταβολές (50%). Τέλος σε αντοχή κάμψης τριών σημείων οι διαφορές που ανευρίσκονται μεταξύ τσιμέντων πολυμερισμένων σε ίδιες συνθήκες φθάνουν το 300% ( MPa), παρατηρείται υψηλή διακύμανση λόγω 77

89 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ επίδρασης συνθηκών πολυμερισμού του επιπέδου 50% και το ανευρισκόμενο μέτρο ελαστικότητας κυμαίνεται από MP (Freitag and Cannon, 1976; Krause et al, 1988; Sahaetal, 1983). Έναν άλλο προβληματισμό στην ανάγνωση εργαστηριακών ερευνών συνιστά και το γεγονός ότι, αν και σημαντικής θεωρητικής σημασίας, τα χαρακτηριστικά των τσιμέντων ως προς την αντοχή τους κατά την κυκλική φόρτιση δεν μπορούν να ληφθούν κατά απόλυτη τιμή. Αυτό συμβαίνει διότι οι καθημερινές κινήσεις του ασθενούς παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλομορφία, και επίσης σχετικά πρόσφατα δεδομένα ενοχοποιούν την ανάπτυξη ρωγμών που προηγείται της θραύσης ως σημαντικό στάδιο στην αποτυχία της αρθροπλαστικής όπως έχει ήδη τονιστεί πρωθύστερα (Wilert et al, 1979). Επομένως ο βαθμός βεβαιότητας που ασκείται σε σημαντικά κλινικά ζητήματα σε συνδυασμό με τα ανωτέρω εκτεθέντα περί προβλημάτων προσεγγίσεων του ερευνητικού προβλήματος είναι ιδιαίτερα περιορισμένος. Η Εικ παρουσιάζει τις διαφορές μεταξύ ΡΜΜΑ πολυμερούς και τσιμέντου στην εξισσορόπσηση τάσης σε σχέση με το χρόνο όπου φαίνεται η διαφορά των δύο υλικών όσον αφορά την ομαλοποίηση τάσης που είναι μολύ μικρότερη για το τσιμέντο. Αυτή η ιδιότητα, όπως περιγράφεται παρακάτω και στον Πίνακα 4.7 έχει σαν αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση της συμμόρφωσης του τσιμέντου στα φορτία. 78

90 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ ΤάσηίΜΡβ) 40 ^ \ ^ ^ ΡΜΜΑ Χρόνος (ημέρες) 100 Εικ Ομαλοποίηση τάσης για ΡΜΜΑ και τσιμέντο. Αναλύσεις και δεδομένα από επανακτήσεις έχουν προσδιορίσει ότι τέσσερις βασικοί άξονες πρέπει να ελεγχθούν προς τον περιορισμό της συμμετοχής του τσιμέντου στην αποτυχία των αρθροπλαστικών (Rostoker, 1979). Περιλαμβάνουν α) τη δομή και κατανομή των προπολυμερισμένων σωματιδίων, β) την επιλογή της διασωματιδιακής μήτρας του πολυμερούς, γ) τις ιδιότητες και κατανομή των ακτινοσκιερών σωματιδίων, και δ) τον περιορισμό του πορώδους. Αρκετές θεωρίες υποθέτουν ότι η εκκίνηση των ρωγμών λαμβάνει χώρα στην μεταξύ των σωματιδίων του τσιμέντου και αναπτύσσονται κατά την περιοχή του πόρου, τον διαπερνούν και φθάνουν σε σωμάτια όπου και τερματίζουν μέσα σε αυτά (Culleton, 1993). 79

91 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Συγκεντρώσεις τέτοιων φαινομένων και ταυτόχρονη παρουσία εξωτερικής φόρτισης συντελούν στην εμφάνιση μεγάλων ρωγμών (Topoleski et al, 1990). Μια άλλη παράμετρος που αναφέρθηκε παραπάνω είναι η επίδραση της θερμοκρασία μετάπτωσης κρυσταλλικής φάσης στην δομή και ιδιότητες του τσιμέντου. Αυτή έχει εκτενώς αναλυθεί από τον Litsky στη διατριβή του που αφορούσε την σύνθεση πολυμερούς με χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας από αυτό του ΡΜΜΑ (Litsky et al, 1990). Όπως αναφέρεται στο σχετικό κεφάλαιο περί χαλάρωσης και θεωριών αποτυχίας της αρθροπλαστικής, η ανελαστικότητα του ΡΜΜΑ οφείλεται στην υψηλή Tg που φθάνει τους 124 C. Ως αποτέλεσμα, το υλικό σε θερμοκρασίες μικρότερες της Tg έχει κρυσταλλική, υαλώδη δομή με υψηλή σκληρότητα και ευθραυστότητα, και ανελαστικότητα. Επομένως και στην θερμοκρασία σώματος, παρόμοια συμπεριφορά είναι αναμενόμενη για το τσιμέντο. Η σύνθεση του ΡΒΜΜΑ (πολύ-βουτυλ-μεθακρυλικό μεθύλιο) με Tg 27 C παρουσιάζει μηχανικές ιδιότητες τις οποίες ο συγγραφέας θεωρεί συμβατές με την λειτουργική φόρτιση της άρθρωσης. Σε αναλυτική στοιχείωση του υλικού έχει βρεθεί ότι το ΡΒΜΜΑ παρουσιάζει μέτρο ελαστικότητας 3% αυτού του ΡΜΜΑ (Yentikler, 1994). Αυτό κατά τον Funk (1994) με πειραματική διάταξη που εφήρμοσαν με σκοπό τη προσομοίωση της μεσόφασης με το οστούν και υπολογισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών της μεσόφασης (Iosipescu test), αντιστοιχεί σε μείωση των τοπικών μεσοφασικών τάσεων κατά 3 φορές για τις συμπιεστικές και 37.5 φορές για τις διατμητικές. Η προκύπτουσα από αυτόν το συλλογισμό θεωρία των τοπικών τάσεων ως αιτίου χαλάρωσης αναφέρεται επίσης στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Πέραν της μεσοφασικής αντοχής, η γλοιοελαστική συμπεριφορά του ΡΒΜΜΑ φαίνεται και στον παρακάτω πίνακα, όπου σαφώς παρατηρείται αυξημένη ικανότητα επανάκτησης της αρχικής 80

92 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ διάστασης για τα δοκίμια από ΡΒΜΜΑ. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.7 ΠΟΣΟΣΤΟ (%) ΟΜΑΛΟΠΟΙΗΣΗ! ΣΕ 5% ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΩΡΕΣ ΡΒΜΜΑ ΡΜΜΑ Αλλαγή διαμέτρου 1 min Αλλαγή μήκους 1 min Τροποποιημένο από Yetkinler, The Viscoelastic Behavior of Acrylic Bone Cement. Ph.D. dissertation, The Ohio State University, Columbus, 1994 (παραχώρηση A.S. Litsky) Ο μηχανισμός με τον οποίο επιδρά η μείωση του μέτρου ελαστικότητας στα μεσοφασικά φαινόμενα και την πορεία χαλάρωσης αναλύεται στο αντίστοιχο κεφάλαιο όπου και παρουσιάζονται αποτελέσματα ερευνών της ίδιας ομάδας στην in vivo εφαρμογή του τσιμέντου σε μοντέλα ζώων β (ρυγοκέντριση Σε μια προσπάθεια βελτιστοποίησης των μηχανικών χαρακτηριστικών του ΡΜΜΑ πολλοί προέτειναν την φυγοκέντρισή του κατά τη μίξη του ώστε να μειωθεί το πορώδες. Μελέτες σε δοκίμια έδειξαν αύξηση της αντοχής στην κόπωση κατά 136%. Το αυξημένο πορώδες του ΡΜΜΑ προέρχεται κυρίως από την ανάμιξη των συστατικών του και από την κατά την εφαρμογή του επαφή με το δοκιδώδες οστούν και την αρχιτεκτονική του σε in vivo χρήση του. Επί τη βάσει αυτού του σκεπτικού άλλοι (Rimnac et al, 1986; Rey et al, 1987) αμφισβητούν τη χρήση τέτοιας μεθόδου μια και οι εσωτερικοί πόροι δεν είναι οι μοναδικοί υπεύθυνοι για την αύξηση των τάσεων που παρουσιάζεται από την ύπαρξη μορφολογίας και αρχιτεκτονικής προκαλούμενης από εξωτερικούς παράγοντες.

93 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ Παρ' όλα αυτά οι Davies και συν. (1998) εξετάζοντας την κλινική σημασία της πρότασης αυτής σε δοκιμασία κόπωσης σε προσομοιωμένο περιβάλλον μορφολογίας δοκίδων βρήκαν ότι η φυγοκέντρηση αύξησε 15 περίπου φορές τον αριθμό κύκλων φόρτισης και την διάρκεια ζωής των δοκιμίων σε σχέση με μάρτυρες, ενώ σύνθετα δοκίμια οστού-τσιμέντου έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά σε φόρτιση 7 και 15 MPa με παρατηρούμενη αύξηση της διάρκειας ζωής της τάξης του 700% για το φυγοκεντρισμένο τσιμέντο. Σημαντική είναι η παρατήρηση τους ότι τα σύνθετα δοκίμια παρουσίασαν μικρότερο μέτρο ελαστικότητας και είχαν πολύ μικρότερη διάρκεια ζωής από τα αντίστοιχα δοκίμια τσιμέντου. Τέλος οι Hamilton et al (1988) υποστηρίζοντας τις ανεπιθύμητες δράσεις της φυγοκέντρισης έδειξαν ότι η τελευταία αυξάνει δρμαματικά τη συστολή πολυμερισμού. Οι ίδιοι συγγραφείς πρότειναν την τοποθέτηση του τσιμέντου υπό πίεση 4 ατμοσφαιρών με σκοπό την επίτευξη αντοχής παρόμοιας αυτής του φυγοκεντρισμένου τσιμέντου χωρίς τις παρενέργειες της φυγοκέντρισης γ πί ση Η έγχυση ΡΜΜΑ στον αυλό υπό πίεση έχει επίσης εφαρμοστεί σε μια προσπάθεια βελτίωσης των μηχανικών του ιδιοτήτων, αποφυγής φυσαλίδων αέρα και αύξηση της μηχανικής συγκράτησης μεταξύ του οστού και του ακρυλικού με ταυτόχρονη χρήση καταιωνισμού με αέρα για καθαρισμό της παρασκευσθείσας περιοχής του αυλού. Έτσι οι Halawa et al (1978) έδειξαν αύξηση της διατμητικής αντοχής του δεσμού της μεσόφασης κατά 200% ενώ αύξηση της πίεσης έγχυσης κατά 50% (από 0.15 σε 0.30 psi) επέφερε αντίστοιχη αύξηση της αντοχής κατά 100%. Έχει δε δειχθεί ότι ακόμα και ο μηχανικός στοιβαγμός του τσιμέντου κατά την έγχυση του στον αυλό έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση 82

94 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ των μηχανικών ιδιοτήτων του. Οι Benjamin et al (1987) μελετώντας το ρόλο της παρουσίας αίματος κατά την διάρκεια της εφαρμογής τσιμέντου διαπίστωσαν ότι αυτή η πίεση πρέπει να διαρκεί αρκετά ώστε να αποφευχθεί η ανάπτυξη κενών μέσα στη μάζα του τσιμέντου όπως και να αναστείλει την επίδραση του αίματος στον πολυμερισμό του. Η επιλογή πολλαπλών μοντέλων ζώων για τη διερεύνηση του φαινομένου ωστόσο έχει περιπλέξει τα δεδομένα και καταστήσει τη συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων δυσχερή. Η χρήση αρνιών, χοίρων, σκύλων, πρωτευόντων θηλαστικών όπως οι πίθηκοι και τρωκτικών παρουσιάζει εγγενείς δυσκολίες σχετιζόμενες με την ανατομία, ανάλυση τάσεων στην άρθρωση και συνήθειες του ζώου σε σέση με την κινητική τουβκατάσταση μεταξύ άλλων παραμέτρων. Για παράδειγμα οι Oates και συν (1990) εφαρμόζοντας προθέσεις με τοποθέτηση τσιμέντου υπό πίεση και μη σε αίγες παρατήρησαν ότι δεν υπήρχε διαφορά στην γενικά κακή κλινική και ιστολογική συμπεριφορά που περιελάμβανε μεμβράνη στην μεσόφαση, απορρόφηση οστού και νέκρωση του συμπαγούς πετάλου του μηριαίου. Τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε πλήρη αντίθεση με όλες τις εργαστηριακές έρευνες που δεικνύουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες για δοκίμια τσιμέντου υπό πίεση. Σχετικά με τη συγκρισιμότητα αποτελεσμάτων διαφόρων μελετών αναλύονται στο κεφ Προοπτικές βελτιστοποίησης τσιμέντου Οι άξονες που κινούνται οι σύγχρονες τάσεις προοπτικών βελτιστοποίησης των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων του τσιμέντου κατευθύνονται σε (Lewis, 1977): 83

95 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΟΛΙΚΗ ΑΡΘΡΟΠΛΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΙΟΥ α) ενσωμάτωση πολυμερών κοκκίων (beads) με μικρότερη Tg ώστε να μειωθεί το μεγάλο μέτρο ελαστικότητας του υλικού σύμφωνα με τις θεωρίες που ανεπτύχθησαν παραπάνω, β) χρήση συμπολυμερών ώστε να μειωθεί η σχετική πυκνότητα (η) του υλικού γεγονός που θα επιτρέψει την καλύτερη συμπεριφορά ροής, και καλύτερο πολυμερισμό του, γ) μείωση του ερπυσμού ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη εφαρμογή στο περιβάλλον φόρτισης χωρίς διατάραξη της συνέχειας του τσιμέντου, δ) εφαρμογή νέων λιγότερο τοξικών επιταχυντών, και ε) κατανομή των ακτινοσκιερών σωματιδίων ώστε να δρουν ως αποσοβητές της προόδου της ρωγμώδους θραύσης. Ως αποτέλεσμα των ερευνητικών προσπαθειών των τελευταίων δεκαετιών, έχουν παραχθεί δοκιμασθεί και εισαχθεί στην κλινική αντιμετώπιση της ΟΑΙ, τσιμέντα με νέας γενιάς. Ο πίνακας 4.2 παρουσιάζει τα πιο κοινά με περιγραφή των σημαντικότερων ιδιοτήτων τους σε σχέση με το ΡΜΜΑ. Πίνακας 4,7. Τσιμέντα νέας γενιάς και οι διαφορές τους με το ΡΜΜΑ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΡΜΜΑ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΡΜΜΑ ΡΜΝ 1.5% ΒΡΟ, η-βμα, 2.5 % DMPT Μεγαλύτερη ελαστικότητα, 5-10 φορές μεγαλύτερη σκληρότητα, κόπωση σε κάμψη φορές μικρότερη ΡΒΜΜΑ ΠολυΒουτυλμεαακρυλικό μεθύλιο Καλύτερη μεσοφασική αντοχή, μεγαλύτερη ομαλοποίηση τάσης ΡΙΒ/ΜΜΑ Συμπολυμερές ΡΜΜΑ με 1.6 φορές μεγαλύτερη αντοχή άραύσης από ισοβουτυλένιο ΡΜΜΑ SIMPLEX ΡΕ Ομοιογενής κατανομή BaS0 4 Αντοχή κάμψης τριών σημείων 114% του Simplex SULFIX-60 Παραλλαγή χαμηλού ι ώδους του Αντοχή κάμψης 1.2 φορές μεγαλύτερη και όριο Sulfìx-6 αντοχής 1.8 φορές μεγαλύτερο από το Suifix-6 84

96 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ V ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ-ΕΝΑΡΞΗΣ ΧΑΛΑΡΩΣΗΣ Η αποτυχία της ΟΑΙ με τη μορφή της έναρξης χαλάρωσης έχει απασχολήσει τους ερευνητές με σκοπό την ανεύρεση και εξάλειψη του παράγοντα που ευθύνεται για το φαινόμενο. Ωστόσο η αιτολογία φαίνεται ότι είναι πολυπαραγοντική και αυτό επιβεβαιώνει από την πιστότητα περισσοτέρων των 2 θεωριών αποτυχίας όπως αναλυτικά περιγράφεται παρακάτω. Μια και η θεωρία αποτριπτικής φθοράς και αντίδρασης τρίτου σώματος φαίνεται ότι κατέχει εξέχουσα θέση στο φαινόμενο το πρώτο σκέλος του κεφαλαίου περιγράφει αναλυτικά τα γενικά περί αποτριβής, φθοράς και κατάληξης των κοκκίων που απελευθερώνοναι. 5.1 Γενικά περί απελευθέρωσης και διάχυσης προϊόντων φθοράς από προθέσεις Η διάχυση των προϊόντων φθοράς ή διάβρωσης των υλικών προθέσεων σε παρακείμενους ιστούς αποτελεί μείζον ερευνητικό πρόβλημα και αντικείμενο κλινικού ενδιαφέροντος για προφανείς λόγους. Η μεταφορά φορτίου από την πρόθεση στον ξενιστή λαμβάνει χώρα μέσω (Black, 1981): α) μετακίνησης στερεών υπολειμμάτων, β) διείσδυσης κοκκίων υλικού παθητικά ή ενεργητικά (κυτταρικά μεσολαβούμενη δράση), και γ) διάχυσης προϊόντων διάβρωσης είτε μέσω παθητικής διάχυσης είτε διά ενεργούς κυκλοφορικής μεταφοράς,

97 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ Στην πρώτη κατηγορία, μακροσκοπικά, μέρος της πρόθεσης εισχωρεί σε μαλθακούς ιστούς ειδικά όταν έχει σχήμα ασύμμετρο ή γωνιώδες. Μια σφαίρα για παράδειγμα μπορεί να παραμείνει σε επαφή με ιστούς χωρίς περαιτέρω διείσδυση για αόριστο χρονικό διάστημα, ενώ ένας ήλος ή βελόνη ακινητοποίησης μπορεί να μετακινηθεί μέχρι και δεκάδες εκατοστά μέσω της αυξημένης μυϊκής τάσης. Μικροσκοπικά τμήματα (κοκκία, συσσωματώματα) υλικών εμφυτευμάτων μεταφέρονται μέσω φαγοκυτωσικών μηχανισμών σε περίπτωση που η επίδραση τους στα μακροφάγα δεν είναι καταληκτική για το κύτταρο. Με αυτόν τον τρόπο το υλικό μεταφέρεται στη λεμφική κυκλοφορία και στους λεμφαδένες της περιοχής. Ο ρυθμός και η κινητική αυτής της μετακίνησης έχει αποτελέσει το αντικείμενο πολλών ερευνών λόγω του εύλογου κλινικού ενδιαφέροντος. Η μετακίνηση αυτή έχει σταδιοποιηθεί σε (Black, 1981): α) πρόσληψη που συντελείται με την φαγωκύτωση, και β) μετακίνηση που πραγματοποιείται με διάφορους μηχανισμούς. Μελέτες σε κυτταρικό και συστηματικό επίπεδο μέσω έγχυσης κολλοειδών διαλυμάτων και παρακολούθηση της πορείας των σωματιδίων, έδειξαν ότι η κινητική του πρώτου σταδίου δηλαδή της πρόληψης παρουσιάζει άνω όριο το οποίο αντιστοιχεί στην πλήρωση των μεμβρανών από κοκκία και την αδυναμία περαιτέρω εγκόλπωσης των τελευταίων από τα υπεύθυνα κύτταρα. Τα μοντέλα ωστόσο που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις αναγωγές παρουσιάζουν σοβαρές αδυναμίες όπως ο περιορισμός των φαγωκυτωσικών κυτταρικών πληθυσμών σε είδος και διαστάσεις, και το κατά συνθήκη παραδεχόμενο μέγεθος ή/και κατανομή των κοκκίων υλικού ώστε να μην καθίσταται δυνατή η ροή του, πράγμα που θα επέφερε ανυπέρβλητες δυσκολίες στη μελέτη του φαινομένου. Ο παρακάτω πίνακας 86

98 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ παρουσιάζει την επίδραση της παραμέτρου μέγεθος κόκκου στην έκταση της φαγωκύττωσης σε ινδικά χοιρίδια, όπου φαίνεται ότι η ικανότητα φαγωκύτωσης εξαρτάται από το μέγεθος των κόκκων. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 Σχέση μεγέ8ους κόκκων και φαγωκιπτωσης ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ (μπι) Mg/mg ΛΕΥΚΟΚΥΤΤΑΡΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΟΚΚΙΩΝ/ΛΕΥΚΟΚΥΤΤΑΡΟ " Η αποδόμηση και απελευθέρωση διαλυμένων σωματιδίων που διαφεύγουν για οποιοδήποτε λόγο την φαγωκύτωση όπως το μεγάλο τους μέγεθος ή πιθανή υπερπλήρωση των μακροφάγων, οδηγεί σε ταχεία κατανομή αυτών σε όλο το σώμα, λόγω του αυξημένου ρυθμού κυκλοφορίας που φθάνει το 1 min" 1, γεγονός που μεταφράζεται στο ότι ολόκληρος ο όγκος αίματος (5 It ή το 6-8% του βάρους του σώματος) περνά από τους πνεύμονες κάθε λεπτό. Εφαρμογή των ανωτέρω σε ΟΑΙ βρίσκει στη μελέτη των Homsy και συν. (1972) όπου διερευνήθηκε η παρουσία μονομερούς ΜΜΑ στην κυκλοφορία μετά από αρθροπλαστική. Σε δόσεις τσιμέντου κατ'αναλογίαν μικρότερες του 1 gr/kgr βάρους σώματος, ανευρέθη ΜΜΑ στην κυκλοφορία που έφθανε το 1 mg/100 ml στα κάτω άκρα, με μέγιστα επίπεδα 2 λεπτά μετά την έγχυση του πολυμερούς. Η ακολουθούμενη θεαματική μείωση οφείλεται κατά τους συγγραφείς σε εξάτμιση του μονομερούς μέσω των πνευμόνων. Η διάχυση διαλυμένων συμπλοκών, στοιχείων και προϊόντων φθοράς και διάβρωσης έχει καταστεί το αντικείμενο τόσο εφαρμοσμένης όσο και βασικής έρευνας με σκοπό τη 87

99 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ διευκρίνιση του μηχανισμού συγκέντρωσης και εναπόθεσης ουσιών σε τμήματα του σώματος. Οι ουσίες αυτές περιλαμβάνουν: α) ιόντα συνδεδεμένα με μεμβράνες, β) κοκκία προερχόμενα από διακοκκική αποδόμηση και κόπωση του υλικού, και γ) αδιάλυτες ενώσεις ή ιζήματα προϊόντα αντιδράσεων όπως τα υδροξείδια διαφόρων μετάλλων. Η συσσώρευση όλων αυτών είναι ορατή μακροσκοπικά με μορφή δυσχρωμικών εναποθέσεων και ονομάζεται μετάλλωση. Τα ανευρισκόμενα στοιχεία περιλαμβάνουν συνήθως τα Al, Pt, Mo, Ta, Fe, Co και η παρουσία τους μελετάται με EDS που αναδεικνύει επίπεδα αυξημένα κατά 200% εγγύς των προθέσεων σε σχέση με μάρτυρες, τα οποία πέφτουν λογαριθμικά σε σχέση με την απόσταση από το υπεύθυνο υλικό. Ο πίνακας 5.2 περιγράφει τη μέθοδο και προϊόντα φθοράς που ανευρέθησαν σε αρθρικό υγρό και περιαρθρικούς ιστούς. Πίνακας 5.2 Ανάλυση προϊόντων φ8οράς υλικών αρ8ροπλαστικών ΠΗΓΗ ΕΠΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΕΤΑΛΛΑ Ιστοί μετά από ΡΜΜΑ σε μορή θραυσμάτων μήκους 20 μ Co, Cr 1-2 μ αραροπλαστική ισχίου UHMWPE σε μορφή κοκκίων και λωρίδων 2-20 μ Αναρρόφηση αράρικού υγρού ΡΜΜΑ ακανόσιστου σχήματος κοκκία 1 μ Ίχνη μετάλλων μετά από αραροπλαστική UHMWPE σχήματος λωρίδων διαμέτρου κραμάτων στειλεών 1-10 μ και μήκους μέχρι 300 μ διάφορης διαμέτρου Τροποποιημένο από Black, Biological properties of materials, Marcel Decker, 1981 To επόμενο στάδιο ανίχνευσης τέτοιων στοιχείων και των παραγώγων τους είναι η μελέτη της παρουσίας τους σε βιολογικά υγρά όπως τα ούρα και το αίμα. Η μελέτη αυτή ακολουθεί μαθηματικά μοντέλα που έχουν προταθεί με βάση ορισμένες παραδοχές για την κινητική της διάχυσης ιόντων σε ιστούς. Με τέτοια πρότυπα έχει υπολογιστεί ότι για 88

100 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ δεδομένο ρυθμό απελευθέρωσης προϊόντων διάβρωσης (Ρ) ανά ημέρα, η ποσότητα του συσσωρευμένου μετάλλου δίνεται από την εξίσωση: όπου: Qo, η κανονική συγκέντρωση του μετάλλου, Q< = Qo + [P(i-e)- k T k Qt, η αντίστοιχη σε χρόνο t εκφρασμένο σε ημέρες, και k, ο ρυθμός έκκρισης μετάλλου. Δηλαδή ανά ημέρα, Ρ ποσότητα μετάλλου απελευθερώνεται και kq t εκκρίνεται. Με διαφοροποίηση προκύπτει ότι Qe = Q 0 + Pk-' όπου Q e, η συγκέντρωση του μετάλλου σε ισορροπία. Επειδή η περιγραφόμενη κινητική είναι πρώτου βαθμού, η υπόθεση που παρεμβάλλεται αναγνωρίζει το μέταλλο ως ομοιογενές σύστημα. Ωστόσο το μοντέλο αυτό παρουσιάζει σοβαρή ανακρίβεια ως προς τον υπολογισμό του ρυθμού απελευθέρωσης μετάλλων πιθανώς οφειλόμενη στην υπόθεση ότι δεν υφίσταται αλληλεπίδραση μεταξύ πλάσματος και άλλων βιολογικών υγρών, όπως επίσης και στην παραδοχή ότι τα μέταλλα δεν παρουσιάζουν εκλεκτική εναπόθεση σε διάφορους ιστούς. Ανιχνεύσιμες ποσότητες σιδήρου λόγου χάριν που αναφέρονται σε σχετικές έρευνες θα έπρεπε να συσσωρευτούν μετά από διάστημα 1300 ετών αν ακολουθείτο το προαναφερθέν μοντέλο. Εφαρμοσμένες έρευνες (Black, 1981) στο αντικείμενο αυτό κατέδειξαν ότι παρατηρείται μεγάλη αναντιστοιχία μεταξύ προσκόλλησης ιόντων σε ιστούς διαφορετικών πειραματόζωων (species specific), καθώς και εκλεκτική προσβολή συγκεκριμένων οργάνων από συγκεκριμένα μέταλλα. Ο 89

101 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ σίδηρος π.χ. συσσωρεύεται στον σπλήνα, το μολυβδένιο στο ήπαρ, και το νικέλιο και κοβάλτιο στους νεφρούς. Με δεδομένο τον πολυπαραγοντικό έλεγχο του φαινομένου ο Green όπως αναφέρεται στον Black (1981) δοκίμασε ενδοφλέβια χορήγηση ραδιενεργώς σημασμένων στοιχείων με σκοπό τη διευκρίνιση των μηχανισμών εναπόθεσης μετάλλων σε ιστούς. Με πολύπλοκα μοντέλα επεχείρησε να προτυποποιήσει τις τιμές που ανίχνευσε σε σχετικά πειράματα και κατέληξε σε θεωρητικά πρότυπα που όντως συνάδουν με τα εμπειρικά δεδομένα, ωστόσο το τίμημα ήταν η εξαιρετικά μεγάλη διακύμανση που αναγκάστηκε να δεχθεί στο μοντέλο. Σε πρακτικό επίπεδο αυτό μεταφράζεται σε προβλεπόμενες τιμές απελευθέρωσης π.χ. χρωμίου από προθέσεις ανοξείδωτου χάλυβα που κυμαίνονται από mg/έτος ανά άτομο. Επί πλέον, το γεγονός ότι η ανθρώπινη αντίδραση σε αυτές τις παραμέτρους είναι άγνωστη, δεν επιτρέπει την αναγωγή τιμών σε κλινικό επίπεδο μια και οι διαφορές μεταξύ ειδών (π.χ. τρωκτικών και επιμυών) φθάνουν το 200%. Μεταγενέστερες έρευνες από τον Black απλώς επιβεβαίωσαν την ανακρίβεια των μοντέλων σε σχέση με την αξιοπιστία των προβλεπομένων τιμών απελευθέρωσης στοιχείων, αναγνωρίζοντας ως επί πλέον παραμέτρους την επιφάνεια έκθεσης του μετάλλου, το δυναμικό οξείδωσης του κράματος της πρόθεσης, και τη μεταβολική κατάσταση του οργανισμού που λόγω αυξημένης κυκλοφορίας (ανάπτυξη, έντονη δραστηριότητα) μπορεί να αυξήσει την έκταση της διάβρωσης και επομένως και την απελευθέρωση προϊόντων. 5.2 Αποτριπτική φθορά και αντίδραση τρίτου σώματος 90

102 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ Μία συνήθης αιτία χαλάρωσης και αποτυχίας της πρόθεσης εκτιμάται ότι έγκειται στην δημιουργία αντίδρασης ξένου σώματος μέσω της απελευθέρωσης σωματιδίων από τη φθορά του τσιμέντου η οποία πυροδοτεί μηχανισμούς οστικής απορρόφησης με τελικό αποτέλεσμα την χαλάρωση. Γενικά η φθορά υλικών από επιφάνειες σε επαφή χαρακτηρίζεται από ορισμένους κανόνες (Callister, 1997). Στην περιγραφή του φαινομένου περιλαμβάνονται η φθορά συγκόλλησης, η αποτριπτική, η τρίτου σώματος και η κόπωσης για αντίστοιχες διεργασίες. Συνήθως η φθορά αυξάνει ανάλογα με το αυξανόμενο φορτίο, την αυξανόμενη επιφάνεια ολίσθησης των συμμετεχουσών στο φαινόμενο επιφανειών και φυσιολογικά το σκληρότερο σώμα φθείρεται λιγότερο (Davidson et al, 1994). Ο ρυθμός φθοράς βαίνει μειούμενος μέχρις σταθεροποιήσεως σε οριακή τιμή, η οποία καθορίζεται από το φορτίο που ασκείται στις επιφάνειες και την τραχύτητα των επιφανειών. Αν και οι βιολογικοί περιορισμοί της επέμβασης στην μεσόφαση οστούν-τσιμέντου είναι απαγορευτικοί σε πολλές περιπτώσεις, η μεσόφαση πρόθεσης-τσιμέντου μπορεί να μεταβάλλεται ελεγχόμενα με διάφορους τρόπους όπως με τη χρήση προ-επικαλυμμένων μεταλλικών προθέσεων με τσιμέντο. Τα προβλήματα ωστόσο που ανακύπτουν από τον χειρισμό και εφαρμογή τέτοιου είδους προθέσεων δεν έχουν πλήρως επιλυθεί. Επίσης με το αναπτυχθέν σκεπτικό της οστικής διείσδυσης στην επιφάνεια της πρόθεσης που προωθείται με την διασπορά αποροφούμενων σωματιδίων στην μάζα του τσιμέντου φαίνεται ότι επιτυγχάνεται βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς του υλικού μέσω της αναπτυσσόμενης σταθεράς μεσόφασης. Έρευνες της δεκαετίας του 80 σε σκύλους και τρωκτικά όπου τοποθετήθηκαν τέτοιες πειραματικές προθέσεις σε ένα άκρο ενώ σε άλλο κλασσικές προθέσεις με τσιμέντο έδειξαν ότι οι τιμές των δοκιμασιών απόσπασης σε αυτές 91

103 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ τις προθέσεις (pull-out tests) κατά σταθερό πρωτόκολλο είναι αποδεκτές όταν τα σωματίδια υπάρχουν σε μια συγκέντρωση 30% (Pilliar, 1992). Αν και η απώλεια οστικής μάζας και η έναρξη της διαδικασίας χαλάρωσης φαίνεται λογικό να συνδέονται, έχει περιγραφεί σαφώς περιπροσθετική οστική απορρόφηση χωρίς χαλάρωση. Η πιθανότητα της πρόκλησης βιολογικού μηχανισμού αποτυχίας δείχθηκε με μελέτη επανακτηθέντων υλικών από τους Horowitz et al (1993), οι οποίοι εξετάζοντας υλικό αυτοψίας από 18 αναθεωρημένες αρθροπλαστικές παρατήρησαν μακροφάγα και φαγωκυτωσικούς μηχανισμούς που απομάκρυναν κοκκία τσιμέντου. Η κινητοποίηση του μηχανισμού αυτού περιελάμβανε την έκκριση του παράγοντα νέκρωσης όγκου (TNF-α) που είναι δυνατόν να προκαλέσει απορρόφηση οστού (Horowitz et al, 1988). Στην ίδια κατεύθυνση οι Jasty et al (1986; 1991; 1992) αναλύοντας υλικό αυτοψίας παρατήρησαν πλήθος κοκκίων και θρυμμάτων τσιμέντου με ταυτόχρονη παρουσία κοκκιώδους ιστού τοπικά. Εισάγοντας τα υλικά σε τρωκτικά παρατήρησαν φαγωκυτωσικούς μηχανισμούς και ενεργοποίηση μακροφάγων. Η ένδειξη αυτή ωστόσο δεν είναι παθογνωμονική της απορρόφησης οστού μια και μακροφάγα ανευρίσκονται και σε ακέραιες προθέσεις όπως έχει δειχθεί σε υλικό αυτοψίας. Επομένως η εμπλοκή του τσιμέντου με μηχανισμό παρόμοιο με αυτόν που περιλαμβάνει το πολυαιθυλένιο και τη φθορά του αν και πιθανή, χρήζει περαιτέρω μελέτης. Τα βασικά ερωτήματα που προκύπτουν από μια τέτοια παρατήρηση είναι τι ξεκινά τη χαλάρωση και ποιοί παράγοντες την επιτείνουν ή την επεκτείνουν. Σχετικά με τα ερωτήματα αυτά οι Schmalzried et al (1992a,b) θεωρούν ότι κατά την διάρκεια κινήσεων της άρθρωσης σωματίδια πολυαιθυλενίου και τσιμέντου προκύπτοντα από 92

104 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ αποτριπτική φθορά, κυκλοφορούν στο ενδαρθρικό υγρό. Εισαγάγουν δε τον όρο «ενεργός χώρος άρθρωσης» (effective joint space) στο μοντέλο τους προσδιορίζοντας τον ως την απόσταση μεταξύ των στοιχείων της άρθρωσης και του οστού. Το ενδαρθρικό υγρό ρέει στην κατεύθυνση της μικρότερης αντίστασης και κατ' ουσία οι περιοχές που προσπελαύνει καθίστανται μέρη της άρθρωσης. Οι ίδιοι συγγραφείς έχουν παρατηρήσει συσσωματώματα μακροφάγων να ανευρίσκονται σε διάφορες θέσεις του συνδετικού ιστού κατά γραμμές ροής επαληθεύοντας την υπόθεση τους. Η παρουσία μικρών σωματιδίων εκλύει αντίδραση που περιλαμβάνει την ενεργοποίηση φαγοκυττωσικών μηχανισμών όπως επίσης και μακροφάγων και απευθείας οστική απορρόφηση από αυτά. Η αντίδραση αυτή είναι ανάλογη του τύπου και του αριθμού των σωματιδίων κατά τους Murray και Ruston (1990) και συνεπώς οι πειραματικές δοκιμασίες αποτριβής θα πρέπει να λαμβάνουν υπ' όψιν όχι μόνον την απωλεσθείσα μάζα του υλικού αλλά και την το μέγεθος της διασπορά των παραγομένων σωματιδίων. Κατά την διαδικασία της απορρόφησης, δημιουργείται μεγαλύτερος οστικός βόθρος λόγω απώλειας μάζας ο οποίος επιτρέπει μεγαλύτερη ροή υγρού τοπικά η οποία με τη σειρά της συμπαρασύρει πιο πολλά σωματίδια και επιτείνει την απορρόφηση, με τελικό αποτέλεσμα την εγκατάσταση οστικού χάσματος που επισημαίνεται και ακτινογραφικά. Έρευνες με αντικείμενο την διερεύνηση της ροής του υγρού στην πρόθεση έδειξαν μεγάλη διακύμανση ανάλογα με τις δραστηριότητες του ασθενούς ενώ άλλοι (Antony et al, 1990) μετρώντας την πίεση του υγρού βρήκαν ότι αυτή έφθανε τα 26.4 kpa. Παρ' όλα αυτά φαίνεται ότι οι κορυφές διακύμανσης των τάσεων λόγω φόρτισης της πρόθεσης από κινήσεις και οι αντίστοιχες λόγω υδροστατικής πίεσης δεν συμπίπτουν, και επομένως φαίνεται ότι η φόρτιση δεν συμμετέχει στο φαινόμενο της μετακίνησης του υγρού ως η ενέργεια που 93

105 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ κατευθύνει τη ροή του. Μια και η διαδρομή είναι αμφίδρομη, η ροή του υγρού συγκεντρώνει ίχνη μετάλλων και τσιμέντου και στον χώρο της άρθρωσης με σημαντική παρεμπόδιση της κίνησης λόγω τριβής και δημιουργίας αντίστοιχης αντίδρασης τρίτου σώματος. Οι Howie et al (1988) σε ιστολογική ανάλυση μεσοφάσεων από αναθεωρήσεις βρήκαν σωματίδια πολυαιθυλενίου περιβαλλόμενα από μακροφάγα σε περιοχές χωρίς έκδηλα σημεία χαλάρωσης και με αδιατάρακτη μεσοφασική συνέχεια, στοιχείο που υποστηρίζει την πρόταση περί μετανάστευσης προϊόντων φθοράς κατά την μεσόφαση τσιμέντου-οστού χωρίς λύση ή δημιουργία χάσματος. Περαιτέρω στοιχείωση της προαναφερθείσας άποψης δίδεται και από μελέτες των Nasser et al (1990) οι οποίοι παρατήρησαν οστεολυτικές εξεργασίες και κοιλότητες στην κεφαλή του μηριαίου και τον αυχένα σε σταθερές προθέσεις από αυτοψίες με άψογες ακτνογραφικά και ιστολογικά μεσοφάσεις, οι οποίες περιείχαν μακροφάγα πλήρη από σωματιδιακές μάζες πολυαιθυλενίου διαστάσεων περίπου 1 μπι. Η διάταξη και η πρόοδος της οστικής απορρόφησης σε περιπτώσεις παρουσίας σωματιδίων προερχομένων από αποτριπτική φθοράς της κοτύλης φαίνεται óu ξεκινά από περιοχές όμορες του τσιμέντου περιφερικά της μεσόφασης και οδεύει προς το κέντρο της πρόθεσης όπως έχει δειχθεί από τους Schmalzried et al σε υλικό αυτοψιών. Η μετανάστευση υγρού σε περιοχές περιφερικά της άρθρωσης έχει επιβεβαιωθεί και από πρόσφατες έρευνες (Crawford et al, 1999) όπου μελετήθηκε η ροή υγρού κατά μήκος στειλεών με διαφορετική επιφανειακή σκληρότητα. Βρέθηκε ότι η ροή του υγρού διευκολύνετο από την αδρή επιφάνεια των στειλεών αντίθετα από ότι αναμενόταν πιθανώς διότι δημιουργείται στροβιλώδης ροή και σε αδρές επιφάνειες που προσφέρουν υπόστρωμα για περαιτέρω μετακίνηση του υγρού. Επομένως η 94

106 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ μετανάστευση και προϊόντων φθοράς σε μικροσκοπική μορφή ακολουθεί τους διαύλους της ροής υγρών. Στο ίδιο πλαίσιο η κυτταρική αντίδραση σε κοκκία τσιμέντου ή πολυαιθυλενίου έχει παρατηρηθεί ότι είναι πολύ οξύτερη και άμεση σε σχέση με αυτή που παρατηρείται σε προϊόντα φθοράς μετάλλου (Willert, 1996). Αυτό πιθανόν να οφείλεται στο γεγονός ότι η μάζα του πολυμερούς παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά από αυτήν των κοκκίων του λόγω της διασποράς πολλών φάσεων μέσα σε αυτήν, και την ανομοιογένεια της ως προς φυσικά χαρακτηριστικά (σύνθεση, πολυμερισμός) σε αντίθεση με τα κράματα όπου το εύρος της διακύμανσης αυτών των μεγεθών είναι πολύ μικρότερο. Η επίδραση των προϊόντων φθοράς όπως αναφέρθηκε παραπάνω εξαρτάται από το ρυθμό παραγωγής τους από τα εμπλεκόμενα μέρη της πρόθεσης, το ρυθμό και ολικό χρόνο παραμονής τους και το ρυθμό απόσυρσης από φαγωκυτωσικούς μηχανισμούς (Howie et al, 1993) η οποία εξαρτάται από το μέγεθος των κοκκίων όπως φαίνεται στον πίνακα 5.1. Επί πλέον της κυτταρικής αντίδρασης που μπορεί να προκαλέσει το τσιμέντο σε μορφή κοκκίων, έχει παρατηρηθεί ότι τα Koioda αυτά προκαλούν αύξηση της σύνθεσης DNA των ινοβλαστών (Jones et al, 2001). Η παρεμβολή υμενίου ινοβλαστών παρεμποδίζει την ανάπτυξη οστού στη μεσόφαση λόγω του ταχύτερου ρυθμού ανάπτυξης από τις πρώτες. Οι προηγούμενοι συγγραφείς αποδίδουν τη διαυγαστική περιοχή που χαρακτηρίζει την ακτινογραφική εικόνα της χαλάρωσης περιφερικά του τσιμέντου σε υπέρμετρη ανάπτυξη μεμβράνης συνδετικού ιστού. Σε αρχικά στάδια το εύρος της μεμβράνης φθάνει τα 25 μ ωστόσο υπάρχει μια ισσοροπία μεταξύ της αύξησης του πάχους και της χαλάρωσης με μεγάλα μεγέθη μεμβράνης να αποκτούν κρίσιμο χαρακτήρα 95

107 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ για την πρόγνωση της πρόθεσης. Επομένως και εμμέσως η απελευθέρωση κοκκίων τσιμέντου είναι πιθανόν να συμβάλλει στη χαλάρωση (Pazzaglia, 1990). Γενικά τα αποτελέσματα ενός πλήθους εργασιών συνάδουν με την προτεινόμενη υπόθεση φθοράς πολυαιθυλενίου με διαφορετικά μοντέλα και ακτινογραφική, ιστολογική και κλινική προσέγγιση. Επιπλέον υποστήριξη προέρχεται και από την καλά σχεδιασμένη έρευνα των Willert και συν. (1990) οι οποίοι σε πειραματικό μοντέλο ζώων διαπίστωσαν απορρόφηση οστού περιφερικά της μεσόφασης τσιμέντου-οστού σε πλήρη απουσία φόρτισης εκλυόμενη από την παρουσία σωματιδίων πολυαιθυλενίου. Η εντόπιση αυτής της αρχικής οστεολυτικής διαδικασίας έχει σημαντικό κλινικό ενδιαφέρον μια και διαφοροποιεί την επίδραση στην πρόγνωση της αρθροπλαστικής. Έτσι, αν 1-2 cm οστού απορροφηθούν εγγύς της μεσόφασης τσιμέντου-οστού στην περιοχή του στειλεού, η επίπτωση στην πιθανότητα χαλάρωσης είναι μικρότερη από την δημιουργούμενη κατάσταση που συνοδεύει την απορρόφηση ίδιας διάστασης οστικής μάζας στην μεσόφαση οστού-τσιμέντου στο τμήμα της κοτύλης. 5.3 Τσιμέντο Τα προβλήματα από τη χρήση του τσιμέντου έχουν συστηματοποιηθεί και απαρτίζουν αντίστοιχες θεωρίες αποτυχίας (χαλάρωσης) οι οποίες περιλαμβάνουν ως αιτιολογικούς παράγοντες τους εξής: α) τοξικότητα μονομερούς, β) έκλυση θερμότητας από την εξώθερμη αντίδραση πολυμερισμού, γ) συστολή πολυμερισμού και δημιουργία χάσματος, δ) αυξημένες τοπικές τάσεις, ε) μηχανική ανομοιογένεια μεσόφασης οστού τσιμέντου, στ) ενεργοποίηση 96

108 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ μακροφάγων από ΡΜΜΑ, ζ) αυξημένο πάχος περιβάλλουσας μεμβράνης που ενεργοποιεί οστεοκλάστες. Η σημασία του πάχους του τσιμέντου στον μηχανισμό θραύσης του έχει μελετηθεί με μεγάλο εύρος μεθόδων συμπεριλαμβανομένης της εργαστηριακής έρευνας, ανάλυσης τάσεων με μοντέλα FEA, και υλικού αυτοψιών. Η τελευταία παρέχει αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση του μικρού ή μεγάλου πάχους στην συμπεριφορά του τσιμέντου. Οι Kawate et al (1998) αναλύοντας 8 προθέσεις από αυτοψίες με ακέραια ακτινογραφική εικόνα, διαπίστωσαν ότι ποσοστό άνω του 90% των ρωγμωδών θραύσεων εντοπιζόταν σε περιοχές με πάχος τσιμέντου μικρότερο του 1 χιλ. Ωστόσο η έρευνα αυτή δεν είναι δυνατόν να υποστηρίξει ότι λεπτά στρώματα τσιμέντου είναι πιθανόν να ευθύνονται για τη θραύση του διότι το μέγεθος που επελέγη δεν ανταποκρίνεται στο μέσο όρο του λεπτού στρώματος όπως αυτός είναι δεκτός στην βιβλιογραφία δηλαδή 2-5 χιλ. Φαίνεται επομένως ότι η διακύμανση του πάχους τσιμέντου σε ένα εύρος της τάξης του 1-4 χιλ. δεν επιδρά σημαντικά στην αύξηση της πιθανότητας θραύσης (Ebramzadeh et al, 1994). Το μεγάλο εύρος των τιμών για πάχη τσιμέντου φαίνεται ότι ευθύνεται για την διχογνωμία στη βιβλιογραφία. Έτσι βαρείς και υψηλοί ασθενείς που έχουν ως επί το πλείστον μεγάλο εύρος αυλού μηριαίου, και επομένως μικρό λόγο εύρους αυλού και πλήρωσης με τσιμέντο, υφίστανται μεγαλύτερες πιέσεις στο στειλεό. Αν και πολλοί έχουν υποστηρίξει τη χρήση στειλεών με μικρό μήκος έτσι ώστε το πάχος του τσιμέντου να πλησιάζει τα 5 χιλ. (Tarr et al, 1982), μικρότερα πάχη έχει βρεθεί ότι συμπεριφέρονται καλύτερα κλινικά (Ebramzadeh et al, 1994). Από την άλλη μεριά οι Lee et al (1993) με εφαρμογή τρισδιάστατου συστήματος συμμετρικού περί άξονα FEA με δεδομένο εύρος αυλού μηριαίου, έδειξαν ότι με αυξανόμενο 97

109 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ πάχος στειλεού και άρα μειούμενο πάχος τσιμέντου, οι ασκούμενες τάσεις στο τσιμέντο στην άπω περιοχή βαίνουν αυξανόμενες ενώ στην εγγύς αρχικά μειώνονται και κατόπιν αυξάνουν ταχύτατα. Κατέληξαν δε στο συμπέρασμα ότι η μείωση των τάσεων επέρχεται με μη ομοιόμορφη επίστρωση τσιμέντου που καταλαμβάνει το 15% του εγγύς σημείου του αυλού ποσό που αντιστοιχεί με πάχος 3-6 mm, πληρώνοντας περισσότερο το άπω. Εικ Δημιουργία SAG (χάσμα τσιμέντου στειλεού) χωρίς την ενδιάμεση παρεμβολή ρωγμώσεων, ni8avöv λόγω ερπυσμού του τσιμέντου κατά την κόπωση (απο Semlitsch und Panik, Biomedizinsche Technik 1983;28:66-78.) Αντίθετα ο Kwak και συν. (1979) με ανάλυση δύο διαστάσεων ενώ δείχνει óu λεπτά στρώματα αναπτύσσουν όντως ισχυρές τάσεις, πρεσβεύει την εφαρμογή ομοιοπαχούς στρώματος περίπου 3-4 mm για να μειώσει τις τάσεις. Σε αντίθεση και με τους δύο παραπάνω ο Crowninshield και συν. (1980) με τρισδιάστατη ανάλυση βρήκε ότι η μείωση στην διατομή του στειλεού και άρα αύξηση του πάχους του τσιμέντου αυξάνει τις τάσεις σε όλο το σύστημα. 98

110 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ Η κατευθείαν αποκόμιση πληροφοριών από κλινικές μελέτες δεν θεραπεύει τις αδυναμίες του συστήματος προτυποποίησης μια και παρεμβάλλονται παράγοντες σχετικοί με ακτινογραφικές τεχνικές, δυσκολίες στην διάκριση ορίων περιοχών και διχογνωμία στην επιλογή του αντιπροσωπευτικού ανατομικού σημείου μέτρησης, αφού η χαρτογράφηση των διαστάσεων του τσιμέντου καθ' όλο το μήκος της πρόθεσης είναι τεχνικά αδύνατο (Noble et al, 1991). Είναι πιθανόν το παχύτερο σημείο τσιμέντου να εντοπίζεται μεταξύ του έσω φλοιού και της επιφάνειας του στειλεού στο επίπεδο του ελάσσονα τροχαντήρα, περιοχή που δεν είναι όμως αμέσου ενδιαφέροντος από πλευράς μηχανικής φόρτισης μια και είναι γνωστό ότι οι μεγαλύτερες τάσεις ανευρίσκονται στις πλάγιες περιοχές. Η κλινική σημαντικότητα και αντιστοιχία των μελετών αυτών ωστόσο έχει από άλλους αμφισβητηθεί, αφού δεν κατέστη δυνατόν πάντα να συσχετισθεί η πιθανότητα χαλάρωσης με το πάχος τσιμέντου, οδηγώντας στην πτωχή προβλεψιμότητα του δείκτη αυτού ι (Johanson et al, 1987). Παρ' ότι η κλινική εκτίμηση ασθενών με κριτήρια ακτινογραφικό». - μπορεί νά συντείνει στο γεγονός ότι αρθροπλαστικές με πάχος τσιμέντου άνω των 10 mm είναι δυνατόν αν «πηγαίνουν καλά» η κλινική εκτίμηση είναι υποκειμενική και τα κριτήρια περιορισμένης ευαισθησίας και ειδικότητας. Ο ίδιος ο Charnley πίστευε ότι περιβάλλοντα τσιμέντα με πάχος παρόμοιας τάξης μεγέθους συμπεριφέρονται καλά κλινικά ωστόσο δεν παρουσίαζε ικανοποιητικές αποδείξεις και δεν ελάμβανε την πιθανότητα μεγαλύτερου ρυθμού αποδόμησης του υλικού, διασποράς κόκκων και έναρξη αντίδρασης τρίτου σώματος σε περιοχές όπου το πάχος του επιτρέπει την κατακερμάτισή του. Γενικά πάχος τσιμέντου της τάξης των 2-4 χιλ. έχει βρεθεί ότι ανταποκρίνεται ικανοποιητικά στις πιέσεις ενώ δεν 99

111 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ διαταράσσεται η μεσόφαση του συστήματος όπως σε πάχη μικρότερα του 1 χιλ ή μεγαλύτερα των 10 χιλ. 5.4 Αυξημένες τοπικά τάσεις Η αυξημένη τάση τοπικά η οποία προτάθηκε ως αιτιολογικός παράγων χαλάρωσης από τους Rose and Litsky (1988) προτείνει ότι η αύξηση της πίεσης τοπικά μπορεί να προκαλέσει απορρόφηση οστού. Η υπόθεση εδράζεται στο γεγονός η μικροσκοπική εικόνα δύο στερεών ερχομένων σε επαφή είναι αυτή ενός πλήθους σημείων λόγω της μορφολογίας του δοκίδωσης του οστού, και του πορώδους της επιφάνειας του τσιμέντου. Τα σημεία αυτά βρισκόμενα το ένα απέναντι στο άλλο ακούν πίεση που δίνεται από τον τύπο [1/Ε,+1/Ε 2 ]- 2/3 όπου Ε τα μέτρα ελαστικότητας των δύο στερεών. Η απουσία ενδιάμεσης φάσης υλικού αυξάνει την τιμή της τάσης σε τεράστια μεγέθη, ωστόσο στην πραγματικότητα αναπτύσσεται μεμβράνη που αποτελείται κυρίως από πρωτείνες και ιστικά υγρά και η οποία μειώνει την τάση στο οστούν. Το πάχος της μεμβράνης βαίνει αυξανόμενο έως ότου εγκατασταθεί μηχανισμός ελέγχου της πίεσης και μείωσης της σε ανεκτά όρια. Το άνω όριο της τάσης (peak stress) στο τσιμέντο έχει βρεθεί (Yentikler, 1994) ότι είναι ανάλογο με το πάχος τσιμέντου και το μέτρο του τσιμέντου και αντιθέτως ανάλογο με το μέτρο του οστού. Επομένως είναι επιθυμητή η παρουσία μικρού μέτρου ελαστικότητας τσιμέντου και μικρού πάχους γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με εμπειρικές και πειραματικές προσεγγίσεις που πρότειναν ότι μεγάλο πάχος τσιμέντου μειώνει το φορτίο 100

112 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ στο στειλεό. Η σύνθεση του πολύ-βουτυλ μεθακρυλικού μεθυλίου (ΡΒΜΜΑ) βασίσθηκε ακριβώς στην υπόθεση της μεγίστης πίεσης τοπικά μια και το μέτρο ελαστικότητας του είναι 0.27 GPa, σε αντιδιαστολή με το ΡΜΜΑ που παρουσιάζει αντίστοιχο μέγεθος 2.12 GPa. Η θεωρία των αυξημένων τοπικά τάσεων εξηγεί δύο σημαντικές παραμέτρους αποτυχίας: την απορρόφηση οστού και τον ερπυσμό με συνοδή αποκοκκιωμάτωση του τσιμέντου. Η τελευταία συμβάλλει στη χαλάρωση με μηχανισμό που ενέχει τον ερπυσμό στην δημιουργία SAG και την κυκλοφορία κόκκων ΡΜΜΑ ως αιτιολογικό παράγοντα πρόκλησης βιολογικής αντίδρασης παρόμοια με αυτήν της φθοράς του πολυαιθυλενίου (Murray and Rushton, 1990). Η ανάλυση της μεσόφασης τσιμέντου οστού από πλευράς τάσεων είναι αρκετά δύσκολη λόγω της μεταβαλλόμενης πυκνότητας του δοκιδώδους οστού με διάφορη δικτύωση. Γενικά η διατμητική αντοχή της μεσόφασης αυτής εξαρτάται από την διείσδυση του τσιμέντου στο οστούν και επομένως όσο μεγαλύτερη είναι η δικτύωση του τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή της μεσοφασικής συνέχειας στη διάτμηση. Ωστόσο αυτή η υπόθεση έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της πυκνότητας του οστού και επομένως φαίνεται ότι οι δύο παράμετροι αυτές βρίσκονται σε αντίθεση και υπάρχει ένας χρυσός κανόνας σε σχέση με το εύρος κάθε τιμής. Πειραματικά οι δυσκολίες είναι μεγαλύτερες διότι η μέτρηση της πυκνότητας της δοκίδωσης εξαρτάται από την κατεύθυνση των δοκίδων καθώς και την πυκνότητα του οστού που επηρεάζεται από ηλικία, φύλο, προετοιμασία δοκιμίου, υγρασία και ρυθμό φόρτισης (Park, 1990). Ως γενική τιμή σε πυκνότητα οστού g/cm η διατμητική αντοχή φθάνει τα 7.61 MPa. Ο Funk (1994) έχει δείξει ότι το μέτρο, ελαστικότητας στη διάτμηση του δοκιδώδους οστού είναι ρ 1 ' 2 ενώ στη συμπίεση είναι ανάλογη του τετραγώνου ή 101

113 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ του κύβου της πυκνότητας. Παρ' όλα αυτά το μέτρο σε διάτμηση επηρεάζεται περισσότερο από τη μορφολογία και κατεύθυνση των δοκίδων μια και είναι εξαρτώμενο της ανισοτροπικότητας του υλικού περισσότερο από το αντίστοιχο συμπιεστικής αντοχής που αποτελεί ιδιότητα της μάζας του υλικού (Mak and Lewis, 1980). Επιβεβαίωση της θεωρίας των αυξημένων τάσεων παρέχει και η έρευνα των Culleton et al (1993) οι οποίοι μελετώντας περιστατικό αυτοψίας έδειξαν την παρουσία μεγάλων ρωγμών τοπικά οι οποίες με ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων απεδείχθη ότι προέρχονταν από τοπικές τάσεις που ξεπερνούσαν κατά πολύ την αντοχή θραύσης του τσιμέντου. 5.S Βιολογικοί παράγοντες αποτυχίας Μολονότι οι περισσότερες διατυπωθείσες θεωρίες χαλάρωσης υποδεικνύουν ως παράγοντες αποτυχίας μηχανικές παραμέτρους των υλικών ενδοπροθέσεων, αρκετές αναφορές συσχετίζουν βιολογικές αλληλεπιδράσεις ως πιθανά υπεύθυνες για την εκκίνηση ενός κύκλου επαγωγής παραγόντων που επιφέρουν διατάραξη της μεσοφασικής δομής της πρόθεσης. Η υπόθεση αυτή βασίζεται σε έρευνες στις οποίες η τοξικότητα των απελευθερούμενων λόγω αποτριπτικής ή συγκολλητικής φθοράς σωματιδίων τσιμέντου ενεργοποιούν μακροφάγα που τα φαγωκυττώνουν με ταυτόχρονη απελευθέρωση Tumor Necrosis Factor (Horowitz et al, 1988). Μελέτες έδειξαν ότι τα ενεργοποιημένα μακροφάγα είναι ικανά να προκαλέσουν απορρόφηση οστού 100 φορές παραπάνω συγκριτικά με την έκθεση τους σε μάρτυρα (latex) αν και η κλινική αναλογία του μοντέλου είναι άγνωστη. Ιστολογικές μελέτες επίσης αναφέρουν εικόνα των μακροφάγων και γιγαντοκυττάρων της μεσόφασης που προσομοιάζει σε αντίδραση ξένου σώματος με παρουσία κοκκιώδους ιστού 102

114 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ (Ohiin et al, 1990). Ως κατάληξη, επιτάσσεται η αναδόμηση του οστού με αρνητικό ισοζύγιο σύνθεσης και θετικό απορρόφησης οστού που διαταράσσει τη συνέχεια της μεσόφασης δημιουργώντας χάσμα ή μεταβάλλοντας την κατανομή των τάσεων στην εναπομείνουσα οστική μάζα και συμβάλλοντας στην δημιουργία χαλάρωσης. Οι Pollicle et al (1995) έδειξαν ότι κατά τη φαγωκύτωση κοκκίων ΡΜΜΑ εκκρίνονται μεσολαβητές οι οποίοι με τη σειρά τους ενεργοποιούν το μηχανισμό οστικής απορρόφησης με πιθανό αποτέλεσμα άσηπτη χαλάρωση. Ακόμα, το πορώδες του τσιμέντου ως αποτέλεσμα του εγκλωβισμού αέρα κατά την ανάμιξη ή τοποθέτηση του, επιτρέπει στο οξυγόνο του αέρα να διεισδύσει στη μάζα και να αναστείλει την αντίδραση πολυμερισμού οξειδώνοντας τις ελεύθερες ρίζες (Ruyter, 1985). Έτσι η μάζα του τσιμέντου περιφερικά των πόρων έχει υποδεέστερες φυσικές ιδιότητες σε σχέση με παρακείμενη χωρίς πόρους. Η επίδραση των προϊόντων φθοράς όπως αναφέρθηκε παραπάνω εξαρτάται από το ρυθμό παραγωγής τους από τα εμπλεκόμενα μέρη της πρόθεσης, το ρυθμό και ολικό χρόνο παραμονής τους και το ρυθμό απόσυρσης από φαγωκυτωσικούς μηχανισμούς (Howie et al., 1993) η οποία εξαρτάται από το μέγεθος των κοκκίων όπως φαίνεται στον πίνακα 5.1. Επί πλέον της κυτταρικής αντίδρασης που μπορεί να προκαλέσει το τσιμέντο σε μορφή κοκκίων, έχει παρατηρηθεί ότι τα κοκκία αυτά προκαλούν αύξηση της σύνθεσης DNA των ινοβλαστών (Johanson et al, 2001). Η παρεμβολή υμενίου ινοβλαστών παρεμποδίζει την ανάπτυξη οστού στη μεσόφαση λόγω του ταχύτερου ρυθμού ανάπτυξης από τις πρώτες. Οι προηγούμενοι συγγραφείς αποδίδουν τη διαυγαστική περιοχή που χαρακτηρίζει την ακτινογραφική εικόνα της χαλάρωσης περιφερικά του τσιμέντου σε υπέρμετρη ανάπτυξη μεμβράνης συνδετικού ιστού. Σε αρχικά στάδια το εύρος της μεμβράνης φθάνει τα 25 μ ωστόσο υπάρχει μια 103

115 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ ισορροπία μεταξύ της αύξησης του πάχους και της χαλάρωσης με το μεγάλο πάχος της μεμβράνης να αποκτά κρίσιμο χαρακτήρα για την πρόγνωση της πρόθεσης (Funk, 1994). Επομένως και εμμέσως η απελευθέρωση κοκκίων τσιμέντου είναι πιθανόν να συμβάλλει στη χαλάρωση. 5.6 Συστολή πολυμερισμού Η συστολή πολυμερισμού που ανέρχεται σε 1-4% αντιστοιχεί σε περίπου 4-8 μπι για ένα πάχος τσιμέντου 2 mm, όταν λαμβάνει χώρα κατά την πτώση της θερμοκρασίας από τους 65 βαθμούς (εξώθερμη) στην θερμοκρασία σώματος. Σε περιοχές όπου το στρώμα του τσιμέντου φθάνει τα 10mm η θερμοκρασία τοπικά μπορεί να φθάσει τους 107 βαθμούς (Smeds et al, 1997). Η συστολή πολυμερισμού οδηγεί στην ανάπτυξη τάσεων με αποτέλεσμα τη δημιουργία χάσματος μια και το τσιμέντο συστέλλεται προς την κατεύθυνση της κύριας μάζας του και επομένως αφίσταται των επαφών του με άλλα στοιχεία της πρόθεσης όπως ο μεταλλικός στειλεός. Η διεύθυνση και έκταση της συστολής μπορεί να εκτιμηθεί με προσέγγιση λαμβάνοντας υπ' όψιν ότι οι γραμμικοί συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ οστού και τσιμέντου έχει υπολογιστεί ότι διαφέρουν κατά τάξη μεγέθους 10 (8.3 και 81 Χ 10" 6 / C αντίστοιχα), ενώ μιά μέση αντίστοιχη τιμή για το μεταλλικό εμφύτευμα είναι 17 Χ 10" rc. Τέτοια χάσματα έχουν υπολογιστεί σε επίπεδο % εξαρτώμενα από τον τύπο του τσιμέντου. Σε αυτές τις συνθήκες είναι αναμενόμενη η ανάπτυξη ινώδους συνδετικού ιστού, η ανάσχεση του ανένδοτου χαρακτήρα της πρόθεσης και η έναρξη της χαλάρωσης, γεγονότα που συνάδουν με κλινική εικόνα που απαιτεί σύντομα αναθεώρηση.

116 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ 5.7 Θερμοκρασία από εξώθερμη 0 Charnley το 1970 έδειξε για πρώτη φορά στον ορθοπαιδικό επιστημονικό κύκλο μερικές πλευρές της εξώθερμης αντίδρασης του τσιμέντου μετρώντας τις θερμοκρασίες σε μάζες τσιμέντου μεγέθους σφαιρών του γκολφ και ανευρίσκοντας θερμοκρασίες μέχρι και 90. Με δεδομένο ότι θερμοκρασίες άνω των 45 βαθμών οδηγούν σε θάνατο τους περισσότερους τύπους κυττάρων καθώς και η διάρκεια της παρουσίας τέτοιας θερμοκρασίας που κυμαίνεται από sec προβληματίζουν για τη ασφαλή χρήση του ΡΜΜΑ. Η αρχική παρατήρηση του Charnley έδωσε το ερέθισμα για την μελέτη του φαινομένου και της σημασίας του. Γενικά η κινητική της εξώθερμης του τσιμέντου εξαρτάται από α) την ποσότητα του αντιδρώντος μονομερούς β) το ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας γ) τη θερμική αγωγιμότητα προσμίξεων, και από δ) τη μάζα του τσιμέντου. Ο παράγοντας (γ) έχει εξαιρετική κλινική σημασία μια και το τσιμέντο βρίσκεται σε επαφή με υγρό οστούν και μέταλλα με διάφορους συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας και έχει συγκεκριμένο σχήμα που επηρεάζει τον λόγο επιφανείας-όγκου με αποτέλεσμα την διαφορετική απόδοση θερμότητας στο περιβάλλον π.χ. μια σφαίρα από ΡΜΜΑ θα αποδώσει με αργότερο ρυθμό θερμότητα από μια λεπτή τετράγωνη επιφάνεια ίδιου όγκου (Reckling and Dillon, 1977). Σε σχετικές μελέτες οι Leeson και Lippit (1993) βρήκαν ότι τα μέγιστα θερμοκρασιών έφθασαν τους 90, τιμή που συμφωνεί με τα δεδομένα από παρόμοιες μελέτες όπου η θερμότητα συναρτάται με το πάχος του υλικού όπως ανωτέρω. Ανάμεσα στις συνιστώμενες μεθόδους περιορισμού της βλάβης από την υψηλή θερμοκρασία, τη 105

117 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΎΧΙΑΣ σημαντικότερη θέση κατέχει η ψύξη του σκέλους σε αρκετούς βαθμούς υπό το μηδέν η οποία μειώνει την άνοδο της θερμοκρασίας κατά τον πολυμερισμό στους C (DiPisa et al, 1976). Προσπάθειες να επηρεαστεί η μεγίστη θερμοκρασία από παραμέτρους της μίξης και τοποθέτησης του τσιμέντου έχουν αποβεί ατελέσφορες μια και η εφαρμογή κενού κατά τη μίξη δεν ελαττώνει τη μέγιστη θερμοκρασία εξώθερμης (Wang et al, 1995). 5.8 Πρόγνωση αναθεωρημένων αρθροπλαστικών Σημαντική είναι τέλος η εμπλοκή διαφόρων παραμέτρων που διαφοροποιούν την πρόγνωση της αναθεωρημένης πρόθεσης από την αρχική. Σε αυτήν την περίπτωση η άσηπτη χαλάρωση που αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα αποτυχίας της αρθροπλαστικής εντοπιζόμενη στη πρώτη μεσόφαση (οστού τσιμέντου) αποδίδεται αιτιολογικά σε δύο παράγοντες: α) στο ότι εκλείπει η δοκιδώδης δομή του οστού με αποτέλεσμα την έναρξη σχηματισμού χάσματος παραπλήσιου με το SAG, με αποτέλεσμα η αναθεώρηση να έχει μεσόφαση παραλλαγμένη και υποδεέστερη της πρώτης, β) όπως έχει δειχθεί, η προηγηθείσα αφαίρεση του συμπαγούς φλοιώδους τμήματος από την πρώτη αρθροπλαστική έχει ως αποτέλεσμα την μείωση του πάχους του, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη υπολοιπόμενη παραμόρφωση (Retpen et al, 1992). Οι Dohmae et al (1988) σε προτυποποιημένο ανάλογο πρόθεσης περιέγραψαν μεγάλη μείωση στην διατμητική αντοχή του μοντέλου μεταξύ πρώτης αρθροπλαστικής και αναθεωρήσεων που έφθαναν τις εντυπωσιακές τιμές του 20% και 6% της αρχικής για την πρώτη και δεύτερη αναθεώρηση αντίστοιχα, οι οποίες βρίσκονται και σε συμφωνία με 106

118 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ κλινικά δεδομένα προδιαγράφοντας την πτωχή πρόγνωση του αποτελέσματος. Πράγματι, οι κλινικοί αναγνωρίζοντας το πρόβλημα προτείνουν σε αυτές τις περιπτώσεις εναλλακτική ακινητοποίηση και αλλαγή των αξόνων παρασκευής του αυλού. Η μείωση αυτή εξηγείται από τους συγγραφείς με βάση τους προαναφερθέντες παράγοντες διαμόρφωσης οστικού περιβάλλοντος, και προτείνεται χειρουργική παρασκευή που αυξάνει την επιφάνεια έκθεσης του οστού στο τσιμέντο. 107

119 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ "...Είναι πράγματι παράξενο που οι άνθρωποι μένουν συνήθως κουφοί στα ισχυρότερα επιχειρήματα ενώ πάντοτε έχουν την τάση να υπερεκτιμούν το βαθμό ακρίβειας των μετρήσεων." «Αλληλογραφία με τον Bohr»

120 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ 6.1 Επανακτηθέν τσιμέντο από αναθεωρήσεις Κατά το αρχικό στάδιο οργάνωσης και συλλογής πληροφοριών από αναθεωρήσεις αρθροπλαστικών, εστάλησαν στοιχεία για τη σχεδιαζόμενη μελέτη στον τότε διευθυντή της Παν/μιακής Ορθοπαιδικής Κλινικής του Κ.Α.Τ., θμο^- Καθ. Θ. Πανταζόπουλο. Η συλλογή υλικού από μια κλινική προτιμήθηκε ώστε να αποκλεισθούν παράγοντες σχετικοί με την επίβλεψη της διαδικασίας, πολυπληθούς αριθμού εμπλεκομένων τεχνικών και θεραπευτών και διαφορετικά εγχειρητικά πρωτόκολλα. Η συλλογή του υλικού γινόταν μέσα σε διάστημα 6 ωρών από την επέμβαση και συνοδευόταν από καταγραφή πληροφοριών σχετικά με στοιχεία της προηγουμένης λειτουργικής φόρτισης της άρθρωσης, από το φάκελο ασθενούς. Όπου ήταν εφικτό ακολουθήθηκε το σχήμα συλλογής στοιχείων που παρουσιάζεται στο τέλος του κεφαλαίου. Αυτός ο τρόπος της συλλογής πληροφοριών επιλέχθηκε λόγω της αναξιοπιστίας των απευθείας κατευθυνόμενων ερωτηματολογίων. Η τελευταία πηγάζει από την προκατάληψη ασθενών σε σχέση με την προηγούμενη ΟΑΙ τους, μια και στην έρευνα συμπεριλαμβάνονται αναθεωρημένες ΟΑΙ και επομένως αναμενόμενο είναι η προτεραία κλινική τους κατάσταση να είναι δυσάρεστη ή και δραματική, διαβάθμιση που είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από τους ίδιους. Το γεγονός ότι οι πληροφορίες συλλέγονται post hoc της επεμβάσεως ενέχει τον κίνδυνο μεροληψίας σε σχέση με την εκτίμηση της κλινικής καταστάσεως όπως αυτή εκφράζεται με την περιγραφή των καθημερινών δραστηριοτήτων τους, ευχέρεια κινήσεων κ.α. Η απόφανση τους αυτή εξαρτάται επίσης και από την λειτουργικότητα της παρούσης 108

121 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΑΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ Ο ΑΙ και την γενική τους αντιμετώπιση, π. χ. ασθενής που υπεβλήθη σε αναθεώρηση της αρθροπλαστικής του για λόγους πρόληψης επερχόμενης επιπλοκής χωρίς αυτός να παρουσιάζει σημαντικό πόνο είναι πιθανόν να θεωρεί την κατάσταση του κυμαινόμενη στα ί5ια επίπεδα με την προηγούμενη. Αμέσως μετά την παραλαβή των δειγμάτων του τσιμέντου» τα οποία συνήθως ελαμβάνοντο σε μορφή θραυσμάτων ακανόνιστου σχήματος και μεγέθους 3-4 εκ., τα δείγματα προωθούντο προς ανάλυση το επόμενο 24-ωρο. Εικ Αντιπροσωπευτική μακροσκοπική εικόνα επανακτηθέντος δείγματος τσιμέντου. Τα δείγματα κωδικοποωύνταν και αποστειρώνονταν με διαδικασία αποστείρωσης και χειρισμούς με βάση τις οδηγίες του ISO (Retrieval and analysis of implantable devices, ISO/TC 150, Geneva, 1995) που για το τσιμέντο περιλαμβάνει έκθεση σε υπερήχους σε διάλυμα υπεροξειδίου του υδρογόνου 3% και αποστείρωση με έκθεση σε οξείδιο του 109

122 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ αιθυλενίου. Σε κάθε περίπτωση προηγείτο φωτογράφηση των δοκιμίων από διάφορες γωνίες και επιλογή των κατάλληλων επιφανειών για ανάλυση. 0 Πίνακας 6.1 αναφέρει τα στατιστικά στοιχεία σχετικά με τα χαρακτηριστικά του δείγματος (11 άρρενες, 17 θήλεα, μέσος όρος ηλικίας 67 έτη, εύρος 6-78 έτη). Θ Θ Α Α Α Θ Θ Α Θ Θ Θ Α θ Α Α Θ Α, Α Θ e Θ θ θ Α Α θ θ Θ θ ΦΥΛΟ ΗΛΙΚΙΑ Πίνακας 6.1. Π ριγραφικά στοιχεία επανακτήσεων τσιμέντου ΒΑΡΟΣ (Kgr) ΕΝΔΕΙΞΗ ΡΑ ΡΑ Κ IN IN ΡΑ ΡΑ Κ Κ Κ Κ Κ Κ IN Κ Κ Κ ΡΑ ΡΑ ΡΑ ΡΑ Κ ΡΑ Κ Κ Κ Κ Κ Κ ΔΙΑΡΚΕΙΑ (ΜΗΝΕΣ) PÀ: ρευματοειδής αρ8ρίτιδα, Κ: κάταγμα, IN: ιδιοπα8ής νέκρωση, Π: πόνος, Χ: χαλάρωση, Λ: λοίμωζη, ΑΧ: άσηπτη χαλάρωση ΕΝΔΕΙΞΗ ΑΝΑΘΕΩΡΗΣΗΣ ' χ i Λ ΑΧ ; ΑΧ ί Λ! χ! π Χ ί Π ί ΑΧ ' Χ i Χ '. ΑΧ Π Ì π ί χ ί χ Ι χ : χ Ι Π ; Π! Π Ι X ί χ χ i! χ ί X ι Χ ί π Ι Μορφολογία, μικροδομή α) Τρία αντιπροσωπευτικά δείγματα από κάθε υλικό αναθεώρησης μελετήθηκαν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης για τον χαρακτηρισμό των μορφολογικών 110

123 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ χαρακτηριστικών (JXA 733 Superprobe, JEOL Ltd., Tokyo, Japan). Τα δείγματα καλύφθηκαν με λεπτό στρώμα χρυσού σε ειδική συσκευή (Sputter-coater, Balzers, Valduz, Liechtenstein), ώστε να καταστούν αγώγιμα και ακολούθως παρατηρήθηκαν υπό τις ακόλουθες συνθήκες: τάση 20 KV 8 ηα ένταση ρεύματος αναλυτή και 5 ηα ένταση ρεύματος δείγματος. β) Τρία τυχαίως επιλεγμένα δείγματα τσιμέντου από κάθε αναθεώρηση υπεβλήθησαν σε μελέτη με υψηλής ευκρίνειας μικροτομογραφία ακτίνων-χ {Desktop high resolution X-ray microtomography, Skyscan 1072, Belgium) για τον καθορισμό των μορφολογικών χαρακτηριστικών εν τω βάθη. Με αυτήν την μη καταστροφική τεχνική είναι δυνατόν να αποτυπωθούν τρισδιάστατα χαρακτηριστικά της δομής ανά στοιβάδα τομής δείγματος υλικού χωρίς προηγούμενη επεξεργασία του, η οποία πιθανόν να επιδρά στη δομή του. Τα δοκίμια εκτέθηκαν σε πηγή CuKa τάση επιτάχυνσης 80 kv, ρεύμα 100 ma, χρόνο έκθεσης ανά τομή 59 sec, βήμα σαρώσεως μηι, μέγεθος pixel 11.94, και εύρος διατομής 1024 pixels Στοιχειακή σύνθεση Όπως ανωτέρω τρία τυχαίως επελεγμένα δείγματα τσιμέντου ανά αναθεώρηση υποβλήθηκαν σε φασματομετρία ακτινών Χ (X-ray fluorescence spectrometry) για τη μελέτη της επιφανειακής στοιχειακής σύνθεσης του τσιμέντου με φασματογράφο XRF {DX-95, EDAX International, Mahwah, NJ, U.S.A.) λειτουργούντα με σωλήνα Mo Κα υπό τάση 30 kv, ένταση ρεύματος 130 μα, κενό -500 mm Hg, και προσπίπτουσα δέσμη 10-mm κατευθυνόμενη επί του δείγματος υπό γωνία 45. Τα φάσματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό των στοιχείων με το λογισμικό Non-standard {EDAX, Int.). Ill

124 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ Η λειτουργία της φασματομετρίας φθορισμού ακτινών Χ βασίζεται στην αρχή κατά την οποία όταν ένα άτομο ενός στοιχείου βομβαρδίζεται με ακτίνες-χ ικανής ενεργείας τα ηλεκτρόνια εσωτερικών τροχιακών απορροφούν ενέργεια και μεταπίπτουν σε άλλες στοιβάδες αφήνοντας κενά δημιουργώντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα διηγηρμένα ηλεκτρόνια εξισορροπούν στη νέα θέση τους και άλλα ηλεκτρόνια προερχόμενα από εξωτερικές στοιβάδες γεμίζουν τις κενές θέσεις. Με αυτόν τον τρόπο παράγονται χαρακτηριστικές ακτίνες Χ που αντιστοιχούν στην ενέργεια του ατόμου του διηγηρμένου στοιχείου, σημειώνονται δε με το τροχιακό στο οποίο δημιουργήθηκε η ελεύθερη θέση (π.χ. Cr Κα). Επειδή ακριβώς οι ακτίνες αυτές είναι ανεξάρτητες από το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το δοκίμιο που αναλύεται, μπορούν να δώσουν πληροφορίες σχετικά με τη χημική του σύσταση. Η στοιχειακή ανάλυση με XRF επιτυγχάνεται με φασματόμετρα τα οποία διαχωρίζουν τις γραμμές του λαμβανόμενου φάσματος σε διαφορετικά φάσματα που στο σύνολο τους απαρτίζουν το αρχικό. Η XRF εφαρμόζεται για την μη καταστροφική ανάλυση στερεών δειγμάτων διαφόρων μορφών (σώματα, σκόνη), υγρών, λεπτών υμενίων και αεροζόλ. Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνεται ταυτοποίηση στοιχείων με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 11, το δε όριο ανίχνευσης κυμαίνεται από μερικά ppm έως μερικές δεκάδες ppm, αναλόγως του δείγματος και της ενέργειας της προσπίπτουσας δέσμης. Για υπέρλεπτα υμένια πάντως το όριο φθάνει τα loong/cm 2. Το βάθος ανάλυσης κυμαίνεται από μερικά μικρά έως 1mm, αναλόγως της ενέργειας της δέσμης και της φύσης του στόχου Μοριακή σύνθεση Η μοριακή σύνθεση των επιφανειακών στρωμάτων του υλικού μελετήθηκε με 112

125 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ μικροϋπέρυθρη φασματοσκοπία πολλαπλής εσωτερικής ανάκλασης μετασχηματισμού Fourier [micro-multiple internal reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (micro-mir FTIR)]. Σειρές φασμάτων ελήφθησαν με FTIR φασματόμετρο {ΡΕ 1760 Χ, Perkin Elmer Corp. NorwalJc, CT, U.S.A.) εφοδιασμένο με κυψέλη micro-mir υπό τις ακόλουθες συνθήκες: cm" 1 φασματικό εύρος, 4 cm* 1 διακριτικό όριο, 50 σαρώσεις, κρύσταλλο KRS-5 (10X5X1 mm) υπό γωνία 45 και 7 εσωτερικές ανακλάσεις. Το βάθος ανάλυσης με την υπέρυθρη φασματοσκοπία micro MIR φθάνει τα 2 μιη και επομένως η τεχνική αναλύει επιφανειακές στοιβάδες του δείγματος ως προς την παρουσία μοριακών ομάδων. Η λειτουργία της συγκεκριμένης μεθόδου βασίζεται στην αρχή κατά την οποία όταν ένα σώμα ακτινοβολείται με υπέρυθρη ακτινοβολία με ενέργεια φωτονίων από ev, τα μόρια διεγείρονται και μεταπίπτουν σε κατάσταση μεγαλύτερης δόνησης λόγω απορρόφησης ενέργειας σε συχνότητα χαρακτηριστική των χημικών δεσμών των μορίων που απαρτίζουν το σώμα. Επομένως, με τη μέθοδο αυτή είναι δυνατόν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τη δομή οργανικών και ανόργανων ενώσεων, μολονότι οι τελευταίες παρουσιάζουν δυσκολίες στην ανάλυση. Η αρχή που επιτρέπει το χαρακτηρισμό μοριακών ενώσεων σχετίζεται με το γεγονός ότι όλες οι χημικές ομάδες της ένωσης δονούνται με την ίδια σχεδόν συχνότητα ανεξαρτήτως του περιβάλλοντος που βρίσκοντα>, με ελάχιστες εξαιρέσεις. Οι περισσότερες αναλύσεις χρησιμοποιούν την περιοχή cm" 1. Με τη χρήση του FTIR το δείγμα έρχεται σε επαφή με τον κρύσταλλο της συσκευής και η υπέρυθρη δέσμη εστιάζει στην ακμή του κρυστάλλου και ανακλάται. Με ένα πολύπλοκο σύστημα οι ανακλάσεις αυτές επεξεργάζονται και τα αποτελέσματα αναλύονται με βάση ηλεκτρονικές τράπεζες πληροφοριών και πίνακες φασμάτων. 113

126 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ Μετατροπή διπλών δεσμών άνθρακα (ΜΔΔ) Η μετατροπή διπλών δεσμών άνθρακα μελετήθηκε σε 3 αντιπροσωπευτικά δείγματα από κάθε αρθροπλαστική όπως και προηγούμενα. Για το σκοπό αυτό επελέγησαν δείγματα με σχετικά λείες επιφάνειες ώστε να διατηρηθεί σε στενή επαφή η επιφάνεια του δοκιμίου με αυτήν του κρυστάλλου της συσκευής micro MIR. Η ΜΔΔ των επανακτηθέντων δειγμάτων συγκρίθηκε με αυτόν τσιμέντου που παρασκευάστηκε στο εργαστήριο σε συνθήκες δωματίου (15 δοκίμια) και παρουσία υγρασίας (15 δοκίμια) όπως αναφέρεται παρακάτω υπό μορφή δοκιμίων σχήματος παραλληλεπιπέδου και διαστάσεων μήκους 75 χιλ., εύρους 10 χιλ., και πάχους 3.3. χιλ., (Εικ. 6.1). Ο βαθμός ΜΔΔ κάθε δείγματος υπολογίστηκε σε σχετική εκατοστιαία βάση με τη μέθοδο των δύο συχνοτήτων και την τεχνική της εφαπτομένης στην συχνότητα αναφοράς που κατά κανόνα ακολουθείται στη σχετική βιβλιογραφία (Ruyter, 1985). Οι δονήσεις των αλειφατικών διπλών δεσμών άνθρακα (C=C) στην περιοχή φάσματος των 1638 cm" ελήφθησαν ως η αναλυτική συχνότητα, ενώ η δόνηση των εστερικών διπλών δεσμών άνθρακα (C=0) στην περιοχή 1712 cm" 1, η οποία δεν επηρεάζεται από την αντίδραση πολυμερισμού, επελέγη ως η συχνότητα αναφοράς. Ο επί τοις εκατό βαθμός πολυμερισμού (% DC) υπολογίστηκε με την εξίσωση: %DC = 100 Χ {l-[ap(c=c) Χ Am (O0)/Am (OC) Χ Αρ (CO)]} όπου: Αρ (C=C): η περιοχή κορυφής απορρόφησης του πολύ μερισμένου υλικού στα 1638 cm" 1, Am (C=0): η περιοχή κορυφής απορρόφησης του απολυμέριστου υλικού στα 1712 cm", Am (C=C): η περιοχή κορυφής απορρόφησης του απολυμέριστου υλικού στα 1638 cm" 1, 114

127 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ Αρ (C=0): η περιοχή κορυφής απορρόφησης του πολυμερισμένου υλικού στα 1712 cm" Φυσικές και Μηχανικές Ιδιότητες Παράλληλα με τη μελέτη του υλικού από αναθεώρηση η εργασία περιελάμβανε και μελέτη in vitro τριών βασικών μηχανικών ιδιοτήτων του τσιμέντου (μικροσκληρότητα, συμπιεστική αντοχή, και αντοχή κάμψης τριών σημείων) σε δύο συνθήκες: πολυμερισμένου στον αέρα και πολυμερισμένου παρουσία υγρασίας. Για την κατασκευή δοκιμίων επελέγη το τσιμέντο Palacos R (Kulzer, Wehreim, Γερμανία, Αντ/πος Schering-Plough, Keninworth, N.J., Η.Π.Α.). Η βιβλιογραφία παραθέτει μεγάλο εύρος συσκευών και μεθόδων μίξης όπως αναφέρεται και στο ανάλογο κεφάλαιο του γενικού μέρους. Οι διαφορές που παρατηρούνται εξηγούν εν μέρει και το μεγάλο εύρος διακύμανσης των τιμών σχετικών δοκιμασιών συντελώντας στη σύγχυση που επικρατεί. Προς αποφυγή του φαινομένου, σε όλες τις διαδικασίες μίξης, παρασκευής δοκιμίων και διατήρησης του τσιμέντου ακολουθήθηκαν οι οδηγίες του ISO Implants for surgery-acrylic resin cements όπως αυτές αναφέρονται στην έκδοση του Η μίξη του περιεχομένου κάθε συσκευασίας έγινε με εργαλεία από έναν χειριστή που φορούσε γάντια χωρίς σκόνη, και το υλικό διατηρήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου 23+l C και σχετική υγρασία περίπου 40% τουλάχιστον 16 ώρες πριν τη δοκιμασία. Η ανάμιξη του υλικού έγινε ανά συσκευασία και οι περίσσειες αφαιρέθηκαν χωρίς να χρησιμοποιούνται σε άλλη εφαρμογή. Ο χρόνος μίξης υπολογίστηκε από την ώρα που το υγρό μονομερές ερχόταν σε επαφή με τη σκόνη. Μετά από περίπου 1 λεπτό εξεταζόταν προσεκτικά η επιφάνεια του μίγματος με στεγνό γάντι latex 115

128 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ χωρίς σκόνη, για την δημιουργία ινών κατά την επαφή. Η διαδικασία αυτή επαναλήφθηκε ανά 15 sec μέχρις ότου η επιφάνεια του γαντιού δεν παρέσυρε πλέον κανένα ίχνος υλικού. Ο χρόνος που απαιτήθηκε για το φαινόμενο καταχωρήθηκε ως χρόνος δημιουργία σύστασης ζύμης ή πάστας (doughing time). Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε για την παρασκευή όλων των δοκιμίων και οι ο μέσος χρόνος για την επίτευξη σύστασης ζύμης καταγράφηκε ανά σειρά δοκιμίων. Περίπου μέσα σε 1 min από το χρόνο σύστασης ζύμης 25 gr από τσιμέντο ετοποθετούντο σε αποτυπώματα κατασκευής δοκιμίου από τετραφθοριωμένο πολυαιθυλένιο συνδεδεμένα με θερμοζεύγος και καταγραφικό και η θερμοκρασία του δοκιμίου κατεγράφετο συνεχώς μέχρι του σημείου έναρξης της πτώσης της. Η κατασκευή των δοκιμίων παρουσίασε 0.2 mm ανοχή στην ακρίβεια των διαστάσεων όπως απαιτείται από τις προδιαγραφές ISO Μικροσκληρότητα Για την παρασκευή δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν αποτυπώματα από Teflon σχήματος παραλληλεπιπέδου και διαστάσεων μήκους 75 χιλ., εύρους 10 χιλ., και πάχους 3,3 χιλ., που είχαν επαλειφθεί με διαχωριστικό., Μετά τον πολυμερισμό δεκαπέντε δοκίμια (15) από τσιμέντο πολυμερισμένο στον αέρα και πολυμερισμένο παρουσία υγρασίας όπως αναφέρεται στο 6.2.4, λειάνθηκαν μέχρις 400 grit με γυαλόχαρτα SiC και υποβλήθηκαν σε δοκιμασία μικροσκληρότητας με μικροσκληρόμετρο (Shimatzu, Tokyo, Japan) εφοδιασμένο με κεφαλή Vickers, υπό φορτίο 200 gr, μεγέθυνση 50 Χ και χρόνο επαφής 6 sec. Από τις διαστάσεις του εντυπώματος υπολογίστηκε αυτόματα η σκληρότητα σε μονάδες Vickers. Γενικά από τη μελέτη των ιδιοτήτων οι κλασσικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται είναι η σκληρότητα, αντοχή δεσμού με διάφορα υποστρώματα (δόντια, οστούν), η αποτριβή 116

129 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ και η κόπωση. Στις περισσότερες μελέτες η χρήση ενός μηχανήματος εφαρμογής τάσης κατά συγκεκριμένη φορά με ελεγχόμενο φορτίο και ρυθμό φόρτισης αποδίδει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την αντοχή δεσμών ή αυτήν καθ' αυτήν την αντοχή του υλικού. Η επιφανειακή σκληρότητα είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης πολλών ιδιοτήτων. Αυτές περιλαμβάνουν όριο αναλογίας, αντοχή θραύσης, ολκιμότητα, ελατότητα και αντίσταση στην αποτριβή. Λόγω της πολυπαραγοντικής σύνθεσης της ιδιότητας της σκληρότητας δεν έχει υπάρξει επαρκής και ακριβής ορισμός της. Στην ορυκτολογία φερ' ειπείν η σκληρότητα σχετίζεται με την αντίσταση του υλικού στην χαραγή. Στη μεταλλουργία καθώς και σε πολλές άλλους τομείς η σκληρότητα σχετίζεται με την αντίσταση στην δημιουργία εντι^πώματος στην επιφάνεια υλικού. Παρ' όλη την έλλειψη σταθερού ορισμού η ιδιότητα της σκληρότητας είναι σημαντική για πολλά βιοϋλικά περιλαμβανομένων των οδοντιατρικών υλικών και των ορθοπαιδικών βιοϋλικών όπως φαίνεται και από τις σχετικές απαιτήσεις του American Dental Association και International Standardization Organization, αντίστοιχα. Υπάρχουν πολλές δοκιμασίες μέτρησης της σκληρότητας οι πιο πολλές από τις οποίες μετρούν την αντίσταση του υλικού στην εντύπωση από την εφαρμογή σταθερού φορτίου. To test Vickers η εφαρμογή του φορτίου γίνεται με μια διαμαντένια ρόμβο και τα προκύπτοντα εντυπώματα από την εφαρμογή φορτίου, μετρώνται κατά την διάμετρο τους και ο μέσος όρος που προκύπτει αναλογεί με την σκληρότητα που αναφέρεται σε ειδικούς πίνακες. Η εφαρμογή φορτίου άκρου επιφάνειας ρόμβου ή πυραμίδας είναι προτιμότερη από άλλες μεθόδους όπως ακίδας για τη δημιουργία ευκρινών εντυπωμάτων κυρίως επειδή το μικρό εύρος της επιφάνειας είναι δυνατόν αν δώσει ψευδή εικόνα για το δοκίμιο ειδικά στα πολυμερή που περιέχουν πολλές φάσεις όπως ενισχυτικές ουσίες, με διαφορετικό βαθμό σκληρότητας. Η Εικ

130 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ παρουσιάζει τη μορφή των ακίδων και παραμέτρους δοκιμασίας σκληρότητας μεταξύ των πιο διαδεδομένων μεθόδων. Brinci! Shape of Indentation Test Indenter Side View Top View Load Vickers microhardness Knoop microhardness 10-mm sphere of steel or tungsten carbide Diamond pyramid Diamond pyramid it \ d I ^" ^ _ - ^ ^ _. 1 * Tk w r-* P Ρ Ρ Formula for Hardness Numt e> 2Ρ HD - ird[d - VZJ 2 - rf 2 J HV = 1.854J>/<r? HK = U.2P/P 6/1 = 4.00 Rockwell and Superficial Rockwell Diamond cone ι ι ι ι - T5, in. diameter steel spheres 120" 60 kg 100 kg Rockwell 150 kg 15 kg 30 kg Superficial Rockwell 45 kg JÛL Εικ 6.2. Συγκριτική παρουσίαση των μεάόδων μέτρησης σκληρότητας (Από Callister WD, Materials science and engineering, an introduction, Wiley, 1997) Συμπιεστική αντοχή H ανάμιξη του υλικού έγινε όπως περιγράφτηκε προηγουμένως. Για την κατασκευή των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν καλούπια Teflon κυλινδρικού σχήματος με μέση διάμετρο 5.90 mm, και μέσο εμβαδόν επιφάνειας mm. Η επιφάνεια των καλουπιών καλύφθηκε με διαχωριστικό για την αποφυγή δυσχέρειας στην απομάκρυνση του τσιμέντου μετά τον πολυμερισμό. Δεκαπέντε (15) δοκίμια τσιμέντου πολυμερισμένου σε αέρα και πολυμερισμένου παρουσία υγρασίας (όπως αναφέρεται στο ) λειάνθηκαν με γυαλόχαρτα SiC μέχρι 400 grit ώστε να εξομαλυνθούν οι ανωμαλίες. Όλα τα δοκίμια

131 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ τοποθετήθηκαν σε εφελκυστική μηχανή (Monsanto Tensometer-10, Canton, ΜΑ, U.S.A.) και υποβλήθηκαν σε συμπιεστική φόρτιση με ρυθμό 5 mm/min μέχρι θραύσης. Η τιμή θραύσης για κάθε δοκίμιο διαιρέθηκε με την επιφάνεια επαφής του δοκιμίου οπότε και προσδιορίσθηκε η συμπιεστική αντοχή σε MPa. Η Εικ παρουσιάζει την μεταβολή στις διαστάσεις του δοκιμίου και την συμπίεση με ακόλουθο την αρνητική (με την έννοια της μείωσης των διαστάσεων) γραμμική παραμόρφωση. Εικ Φορτία αναπτυσσόμενα κατά την δοκιμασία συμπιεστικής αντοχής Αντοχή κάμψης τριών σημείων Η ανάμιξη του υλικού έγινε όπως περιγράφτηκε προηγουμένως. Τα καλούπια Teflon που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή δοκιμίων ήταν σχήματος παραλληλεπιπέδου με διαστάσεις μήκους 75 mm, εύρους 10 mm, και πάχους 3,3 mm τα οποία καλύφθηκαν με διαχωριστικό. Δεκαπέντε δοκίμια (15) τσιμέντου πολυμερισμένου σε αέρα και πολυμερισμένου σε υγρασία (όπως αναφέρεται στο 6.2.4) λειάνθηκαν με χαρτί λείανσης SiC 119

132 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ 400 grit. Μετά τη λείανση καταγράφηκαν οι διαστάσεις των δοκιμίων και στη συνέχεια τα δοκίμια τοποθετήθηκαν στη εφελκυστική μηχανή η οποία ήταν εφοδιασμένη με διάταξη φόρτισης 3 σημείων. Η φόρτιση του δοκιμίου έγινε με ρυθμό 5 mm/min μέχρι θραύσης. Η τιμή θραύσης καταγράφηκε και η αντοχή κάμψης υπολογίστηκε από την εξίσωση (Εικ. 6.4) Β= 3Fl/bd 2 όπου: F: η ασκούμενη δύναμη κατά τη θραύση b: μέσο εύρος δοκιμίου σε mm α: μέσο πάχος δοκιμίου σε mm 1: η απόσταση μεταξύ έσω και έξω σημείων φορτίσεως σε mm Possible cross sections 1< b M_± 7f\ I d ' Rectangular Cr- ^ -rrp^~* Support ZS - 7^ Ci Circular L S ι äj -ψ 2 a = stress Me I 2 Εικ Σχηματική αναπαράσταση δοκιμασίας αντοχής κάμψης τριών σημείων (Από Callister WD, Materials science and engineering, an introduction, Wiley, 1997) Δοκίμια πολυμερισμένα παρουσία υγρασίας Όμοια διαδικασία κατά τα στάδια που περιεγράφησαν στα 6.2.1, 6.2.2, και ακολουθήθηκε και για μια δεύτερη σειρά δοκιμίων η οποία περιελάμβανε υλικό που εκτέθηκε σε υγρασία κατά τον πολυμερισμό. Για την παρασκευή αυτής της σειράς, αφαιρέθηκαν οι επιφάνειες του Teflon που αντιστοιχούσαν στις επιφάνειες βάσεων του δοκιμίου (βάση 120

133 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ κυλίνδρου για την συμπιεστική αντοχή που περιγράφτηκε στην 6.2.2, και βάση παραλληλεπιπέδου που περιγράφηκε στη μικροσκληρότητα και αντοχή κάμψης που περιγράφηκε στις και αντίστοιχα) όπως φαίνεται και στο σχήμα 6.1. Αμέσως μετά την τοποθέτηση του υλικού από το σκεύος ανάμιξης στα υλικά αποτυπωμάτων οι άνω και κάτω επιφάνειες βάσεων εκτέθηκαν σε νερό με τη βοήθεια λωρίδων (strips) σελλουλόζης.. Εικ Σχήμα δοκιμίων τσιμέντου εκτεδειμένου σε υγρασία κατά τον πολυμερισμό 6.3 Στατιστική επεξεργασία Στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε για τα πειράματα των κατηγοριών 6.1.4, 6.2.1, και Το γεγονός ότι τα επανακτηθέντα δοκίμια τσιμέντου προέρχονται από υλικό που έχει υποστεί μεγάλο εύρος και συχνότητα φόρτισης, σε επαφή με διαφορετικούς ιστούς πολλών ατόμων και για μεγάλο εύρος χρόνου, δεν επιτρέπει την ομαδοποίηση και καθορισμό ανεξαρτήτων μεταβλητών. Στη βιβλιογραφία άλλωστε είναι συνήθης πρακτική η αποφυγή στατιστικής επεξεργασίας ποιοτικών αποτελεσμάτων από 121

134 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ επανακτηθέντα υλικά καθώς και η παρουσίαση αριθμού δειγμάτων της τάξης του για αναλύσεις επανακτήσεων (Rostoker et al, 1979; Magnissalis et al, 1999; Schmalzried et al, 1992a,b; Horowitz et al, 1993). Ωστόσο αδρά χαρακτηριστικά της ομοιογένειας ή σύμπτωσης των αποτελεσμάτων είναι απαραίτητα και είναι δυνατόν να γίνουν με κριτήρια τη συχνότητα εμφάνισης και την έκταση των παρατηρούμενων αλλαγών μεταξύ των εξεταζόμενων δοκιμίων. Η ανάλυση του βαθμού ΜΔΔ των δοκιμίων επανακτηθέντων και των in vitro παρασκευασθέντων δοκιμίων με ή χωρίς παρουσία υγρασίας έγινε με τη δοκιμασία one-way ANOVA και το Tukey test σε επίπεδο σημαντικότητας α=0.05 ως προς την διερεύνηση της επίδρασης της μεταβλητής «συνθήκες πολυμερισμού» στο βαθμό ΜΔΔ. Η ανάλυση περιελάμβανε μέτρηση του βαθμού πολυμερισμού σε όλο το πλήθος των επανακτηθέντων δοκιμίων τσιμέντου και 15 δοκιμίων από αντιστοίχως εργαστηριακά παρασκευασμένο τσιμέντο σε συνθήκες δωματίου και παρουσία υγρασίας. Η στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων των μηχανικών δοκιμασιών έγινε με τη δοκιμασία one-way ANOVA ως προς τη διερεύνηση της επίδρασης της μεταβλητής «υγρασία» στις τιμές των δοκιμασιών. Περαιτέρω διαφορές μεταξύ ομάδων διερευνήθηκαν με το Tukey test σε επίπεδο σημαντικότητας α=0.05. Οι υποθέσεις που δοκιμάσθηκαν σε αυτήν την έρευνα έχουν ως εξής. Ηοΐ: Η 0 2: Η παραμονή του υλικού in vivo δεν έχει επίδραση στο βαθμό ΜΔΔ Η έκθεση του υλικού σε υγρασία δεν έχει επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες όπως αυτές επελέγησαν και μετρώνται. 122

135 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ VII ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων ακολουθεί τη δομή του κεφαλαίου Υλικά και Μέθοδος και χωρίζεται σε δεδομένα για το επανακτηθέν τσιμέντο και το εργαστηριακά παρασκευασμένο 7.1 Επανακτηθέν τσιμέντο Μορφολογία μικροδομή Η ανάλυση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ανέδειξε τη μορφολογική εικόνα και τη μικροδομή του επανακτηθέντος τσιμέντου όπου ανευρίσκονταν δύο κύρια χαρακτηριστικά: α) σχηματισμοί που εκπορεύονται από την προσαρμογή του τσιμέντου στη μικροδομή της επιφάνειας του οστού με κρατήρες και προσεκβολές όπου αποτυπώνεται στην ουσία ο εσωτερικός φλοιός του μηριαίου και β) το μεγάλο και διάσπαρτο πορώδες σε όλη τη μάζα του τσιμέντου. Γενικά μεγάλες μεγεθύνσεις προσφέρουν πληροφορίες για τη δομή των δειγμάτων του τσιμέντου ενώ μικρές μεγεθύνσεις είχαν ως αποτέλεσμα τη μελέτη των αδρών χαρακτηριστικών της μάζας του τσιμέντου. Η Εικ. 7.1 παρουσιάζει την εικόνα δείγματος με πορώδη επιφάνεια και δημιουργία κρατήρων και προσεκβολών πιθανόν λόγω της επαφής με το πορώδες της οστικής μάζας του μηριαίου που αποτυπώθηκε στο τσιμέντο κατά την τοποθέτηση του.

136 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικ Εικόνα δευτερογενούς εκπομπής επιφάνειας επανακτηαέντος τσιμέντου (Μεγέθυνση Χ 40). Η αδρή επιφανειακή εικόνα σχετίζεται με το πορώδες του υλικού και την αποτύπωση των οστικών δοκίδων του αυλού του μηριαίου Η Εικ. 7.2 παρουσιάζει παραστατικά την αποτύπωση των δοκίδων του μηριαίου στην επιφάνεια του τσιμέντου που ήταν σε επαφή με το οστούν. Ορισμένα χαρακτηριστικά όπως ο διαχωρισμός των επιπέδων που είναι ορατός στο δεξιό κάτω άκρο της εικόνας πιθανόν να οφείλονται σε χειρισμούς απόσπασης του τσιμέντου από τον αυλό του μηριαίου. Εικ Εικόνα επανακτηθέντος τσιμέντου, όπου παρουσιάζεται σε μεγαλύτερη μεγέθυνση λεπτομέρεια της περιοχής της Εικ Η αποτύπωση των δοκίδων του οστικού υποβάθρου είναι ευδιάκριτη σε όλο το εύρος της επιφάνειας (Μεγέθυνση Χ 80) 124

137 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η Εικ παρουσιάζει σε ακόμα μεγαλύτερη μεγέθυνση λεπτομέρεια της 7.2 όπου διακρίνονται οι πόροι του υλικού και η αποτύπωση των δοκίδων. Περισσότερες λεπτομέρειες της δομής του τσιμέντου είναι ορατές σε μεγαλύτερη μεγέθυνση στην Εικ όπου εκτός των κρατήρων που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της επαφής με το οστούν, είναι διακριτά κοκκία ΡΜΜΑ (άνω αριστερό της εικόνας). Εικ Εικόνα δευτερογενούς εκπομπής επανακτηαέντος τσιμέντου όπου παρουσιάζεται λεπτομέρεια της αποτυπωμένης στο τσιμέντο δοκίδος οστού (Μεγέθυνση Χ 200). Στο άνω αριστερό άκρο της εικόνας διακρίνονται κοκκία (beads) του ΡΜΜΑ 125

138 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η Εικ παρουσιάζει λεπτομέρεια της προσεκβολής του τσιμέντου σε οστικό βόθρο όπου φαίνεται και το βύσμα του υλικού που πωμάτισε την επιφάνεια. Εικ Εικόνα δευτερογενούς εκπομπής επανακτη8έντος τσιμέντου όπου διακρίνεται η προσεκβολή του τσιμέντου κατά την τοπο8έτηση σε πιαανό οστικό 6ό8ρο (Μεγέθυνση Χ 400) Τέλος η Εικ. 7.6 παρουσιάζει εικόνα τσιμέντου που αποτελεί το αντίστροφο της προηγουμένης δηλαδή τη δημιουργία εντυπώματος στο τσιμέντο λόγω της εφαρμογής του σε εξέχουσα περιοχή οστού. Εικ Εικόνα δευτερογενούς εκπομπής της επιφάνειας επανακτηδέντος τσιμέντου όπου διακρίνεται η διακύμανση του 126

139 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ πάχους της επιφάνειας και η δημιουργία Βό8ρου (κέντρο) ως αποτέλεσμα της πλήρωσης μέρους του αυλού (Μεγέθυνση Χ 80) Η μελέτη με μικροτομογράφο ακτίνων Χ χωρίς έδειξε ότι το πορώδες του υλικού αποτελεί χαρακτηριστικό της μάζας και όχι μόνον της επιφανειακής δομής του τσιμέντου. Τονίζεται εδώ ότι λόγω της φύσης της ανάλυσης τα ευρήματα δεν επηρεάζονται από την κατεργασία του δείγματος μια και η τεχνική της μελέτης είναι μη καταστροφική για το δοκίμιο. Το πορώδες της επιφάνειας φαίνεται να εκτείνεται σε όλη τη μάζα του υλικού και αντιπροσωπεύει ποσοστό μεγαλύτερο του 30% της ολικής μάζας των δειγμάτων που εξετάστηκαν όπως υπολογίστηκε σε αντιπροσωπευτικά δείγματα με τη χρήση λογισμικού του μικροτομογράφου. Η μορφολογική και δομική εικόνα ήταν κοινή με μικρές διαφορές σε έκταση σε όλα τα επανακτηθέντα δοκίμια. 10Λ - '. \ γ; ' Εικ Εικόνα μικροτομογραφίας ακτινων-χ (X-ray microtomography) επανακτηδέντος τσιμέντου που παρουσιάζει το πορώδες της επιφάνειας 127

140 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η Εικ. 7.8 παρουσιάζει λεπτομέρεια της περιοχής της Εικ όπου και αποτυπώνεται η έκταση του πορώδους της μάζας του τσιμέντου που παρουσιάζει ασυνέχεια με τη δημιουργία μεγάλων οπών. Εικ Εικόνα μικροτομογραφίας ακτίνων-χ που αποδίδει λεπτομέρεια του δοκιμίου που παρουσιάζεται στην Εικ Το πορώδες του υλικού (μαύρες περιοχές) εκτείνεται σε όλη τη μάζα του και κατά τόπους λαμβάνει διαστάσεις οπής Η παρακάτω Εικ.7.9. είναι αντιπροσωπευτική της κατάστασης του δείγματος ως προς την ανεύρεση συσσωματωμάτων πόρων που δημιουργούν οπές στη μάζα του τσιμέντου, ενώ η Εικ παρουσιάζει τη δημιουργία οπών και συσσώρευση τάσεων στο δοκίμιο (κάτω δεξιό άκρο). 128

141 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΑΕΣΜΑΤΑ.u.o Εικ Εικόνα μικροτομογραφίας ακτινων-χ επανακτηδέντος τσιμέντου όπου φαίνεται η ασυνέχεια της φάσης με τη μορφή οπών και το αυξημένο πορώδες a* Εικ. 7.IO. ΜικροφωτογραφΙα ακτίνων-χ επανακτηβέντος τσιμέντου που παρουσιάζει αυξημένο πορώδες και ρωγμή (κάτω δεξιό μέρος εικόνας) 129

142 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στοιχειακή σύνθεση Η ανάλυση με φασματομετρία φθορισμού ακτίνων Χ έδειξε δύο κύρια χαρακτηριστικά για τα επανακτηθέντα τμήματα τσιμέντου: α) συστατικά στοιχεία της σύνθεσης του όπως στρόντιο, βάριο και ζιρκόνιο και β) ίχνη ενασβεστίωσης του τσιμέντου κατά τη διάρκεια παραμονής του σε επαφή με ιστικά υγρά ή πιθανά θραύσματα οστού. Η προσρόφηση ιόντων από την επαφή με υγρά και ιστούς και κυρίως αίμα, συμβάλλει στη δημιουργία ενός ενασβεστιωμένου υμενίου. Η παρουσία των χαρακτηριστικών αυτών ήταν σχεδόν ίδια σε όλα τα δοκίμια που εξετάστηκαν. Η ανεύρεση στοιχείων που δεν συμπεριλαμβάνονται στα περιεχόμενα των σκευασμάτων οδήγησε στην κατεύθυνση της ποσοτικοποίησης και έρευνας της έκτασης του φαινομένου με την ίδια μέθοδο. Ο πίνακας 7.1 παρουσιάζει τα αποτελέσματα αυτής της κατανομής. Ενδιαφέρον είναι ότι οι προσμίξεις αυτές εκτείνονται σε σημείο όπου αποτελούν ποσοστά της τάξης μεγέθους του 2% της σύνθεσης του υλικού. Η ακριβής κατάσταση στην οποία βρίσκονται, δηλαδή τα στοιχεία και οι ενώσεις με τις οποίες είναι συζευγμένα δεν είναι δυνατόν να καθοριστούν με βάση μόνον την παραπάνω μέθοδο. Παρ' όλα αυτά μια πολυπαραγοντική ανάλυση με τη συνδρομή πολλαπλών εργαστηριακών μεθόδων είναι δυνατόν να εντοπίσει σχετικές πληροφορίες και αυτές παρουσιάζονται παρακάτω. 130

143 ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Πίνακας 7.1 Στοιχειακή σύνβεση εξωγενών προσροφήσεων επανακτηθέντων τμημάτων τσιμέντου (μη αντιστοιχούντων με σύνδεση σκευασμάτων τσιμέντου αναφοράς και μη ανευρισκομένων σε τσιμέντο πολ&upsilo