Μελέτη Νανομηχανικών Επιφανειακών Ιδιοτήτων Εμφυτευμάτων Ολικής Αρθροπλαστικής Γόνατος με την τεχνική της Νανοεισχώρησης
Creators: name: Μητρούση, Μαρίνα–Ειρήνη Θεοδώρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Νανοεισχώρηση
Εμφύτευμα
Πολυαιθυλένιο υπερ-υψηλού μοριακού βάρους
Nanoindentation
Implant
UHMWPE

description: Η οστεοαρθρίτιδα είναι η πιο κοινή νόσος των αρθρώσεων του γόνατος. Η νόσος της οστεοαρθρίτιδας αναφέρεται, στην αποσύνθεση ή τη φθορά της επιφάνειας του χόνδρου στο τέλος του οστού μέσα στην άρθρωση. Η λύση για την καταπολέμηση της οστεοαρθρίτιδας είναι η ολική αρθροπλαστική γόνατος, δηλαδή η αντικατάσταση μιας κατεστραμμένης άρθρωσης με τεχνητή.Το πολυαιθυλένιο υπερ-υψηλού μοριακού βάρους, UHMWPE, είναι ένα πολυμερές με εξαιρετικές ιδιότητες, όπως χημική αδράνεια, αντίσταση στη φθορά, υψηλή αντοχή στην κρούση, εξαιρετική σκληρότητα και βιοσυμβατότητα, ιδιότητες που το κάνουν κατάλληλο για την αντικατάσταση του γόνατος. Το UHMWPE είναι ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές, που αποτελείται μόνο από υδρογόνο και άνθρακα. Ωστόσο, για να γίνει εμφύτευμα, λαμβάνει χώρα μία διαδικασία γνωστή ως χύτευση με έγχυση, όπου σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, το πολυμερές από σκόνη σχηματίζεται σε ένα συμπαγές υλικό.Παρά την επιτυχία των αποκαταστάσεων, τα προβλήματα που εμφανίζονται από τη φθορά και την κόπωση του UHMWPE με την πάροδο του χρόνου, περιορίζουν τη διάρκεια ζωής του εμφυτεύματος. Οι αλλαγές αφορούν ένα μικρό στρώμα της κλίμακας των nm της επιφάνειας του υλικού, οπότε η μελέτη των ιδιοτήτων και της απόδοσης του UHMWPE στην κλίμακα του νανομέτρου είναι κρίσιμη για την κατανόηση του μηχανισμού της φθοράς. Επομένως, στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση των τεχνικών φόρτισης QSM (ημι-στατική νανοεισχώρηση) και DSM (δυναμική νανοεισχώρηση) για τη μελέτη της επίδρασης της φθοράς στις νανομηχανικές ιδιότητες πολυμερικών εμφυτευμάτων UHMWPE. Στη συνέχεια, γίνεται μία σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των δύο τεχνικών και μεταξύ των εμφυτευμάτων που εξετάστηκαν. Ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών μεγεθών του υλικού, όπως το μέτρο ελαστικότητας, Ε και η σκληρότητα, Η, γίνεται μέσω υπολογιστικών μοντέλων. Ακολουθεί λοιπόν, μία συζήτηση πάνω σε διάφορα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των αποτελεσμάτων της νανοεισχώρησης, συμπεριλαμβανομένου του μοντέλου των Oliver και Pharr. Τέλος, προτείνεται μία θεωρητική μελέτη μέσω προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), για την περιγραφή της αλληλεπίδρασης ακίδας-δείγματος του συστήματος που χρησιμοποιείται, και αναμένεται να δώσει ακριβέστερα αποτελέσματα για τις μηχανικές ιδιότητες, σύμφωνα με τις τεχνικές που αναπτύσσονται.
description: Knee arthroplasty, referring to surgical reconstruction of the knee joint, has its origins in the late 19th century as the treatment for severe joint degeneration resulting from osteoarthritis. UHMWPE has been used in knee replacements since it combines superior wear resistance along with high fracture toughness and biocompatibility compared to other materials.Medical-grade polyethylene UHMWPE is a semicrystalline polymer that can be depicted as a set of ordered regions (crystalline lamellae) embedded in a disordered amorphous phase. Higher crystallinity gives a larger modulus of elasticity, superior yield strength, improved resistance to creep deformation and enhanced fatigue strength, all of which are desirable properties for joint components. Medical-grade UHMWPE orthopaedic implants are machined from stocks and sheets made from UHMWPE powders by compression moulding or ram extrusion and subsequent annealing.Properties and performance of UHMWPE on the scale of microns or smaller, are all critical in understanding how UHMWPE wears. Therefore, the main goal of this project is the use of mechanical test methods like nanoindentation, testing along with the atomic force microscope (AFM) in order to describe and characterize UHMWPE. Thus, this work will describe quasistatic and dynamic indentation testing, for the characterization of UHMWPE knee implants and a comparison between them. Usually, the principal goal of such testing is to extract elastic modulus and hardness of the specimen material from experimental readings of indenter load and depth of penetration. The test proce¬dure usually involves an elas¬tic-plastic loading sequence followed by an unloading. The validity of the re¬sults for hardness and modulus depends largely upon the analysis procedure used to process the raw data.Furthermore, some detailed analysis techniques are discussed for the calculation of mechanical properties of UHMWPE implants, which include the Oliver-Pharr method. Briefly, the geometric relationship between the tip and sample plays a role in the analysis of indentation data. The viscoelastic behaviour of UHMWPE is discussed too, as are approaches to study viscoelasticity in indentation testing. Wear behaviour was determined and related to changes in mechanical properties of the surface deformed UHMWPE, which has been recognized as being the main cause of failure in orthopaedic implants. Finally, a new approach in the analysis of UHMWPE implants is being demonstrated.