Protezlerde kullanılan kemik – çimento bağlantılarının mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of bone - cement joints used in prosthesis
Yazar: SAİT KOÇAK
Danışman: PROF. DR. TEZCAN ŞEKERCİOĞLU
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kemik çimentoları = Bone cements ; Protezler ve implantlar = Prostheses and implants ; Sonsuz elemanlar yöntemi = Infinite elements method

Özet:
Total kalça replasmanı, kalça ekleminde rahatsızlık olan hastalarda uzun yıllardan beri sıklıkla kullanılan ortopedik bir tedavi yöntemidir. Kalça replasmanı tedavisinde implant, femur kemiği içine çimentolu ve çimentosuz olmak üzere iki şekilde sabitlenmektedir. Çimentolu implantlarda karşılaşılan en büyük problemlerden biri implantın femur kemiği içinde aseptik gevşemesidir. Aseptik gevşeme neticesinde hastanın revizyon ameliyatına girmesi ve implant bağlantısının yenilenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, çimentolu total kalça replasmanının mekaniği üzerinde önemli etkileri olan implant-çimento ve çimento-kemik ara yüzeylerinin mekanik dayanımları deneysel ve nümerik olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda ara yüzeylerin darbe, çekme-kesme ve patlatma dayanımları ve bu dayanımlara etki edebilecek olan implant yüzey pürüzlülüğü, implant malzemesi ve çimento manto kalınlığı gibi parametreler in vitro olarak araştırılmıştır. Nümerik çalışmalarda çimentolu kalça replasmanı tedavisine maruz kalmış bir hastanın kalça eklemi sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiş ve yürüyüş döngüsündeki bir insanın tek ayak üzerinde olduğu durumda implant-çimento ve çimento-kemik ara yüzeylerinde ne tür gerilmeler meydana geldiği araştırılmıştır. Gerilmelerin büyüklük ve lokasyonları saptanarak farklı implant malzemelerinin bu gerilmelere etkileri saptanmıştır. Ayrıca deneysel çalışmalardan elde edilen dayanım değerleri sonlu elemanlar analizlerinde mukavemet sınırı kabul edilerek çimentolu kalça replasmanının hasar analizi gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda; aynı yüzey pürüzlülüğü değerinde çimento-kemik ara yüzeyinin implant-çimento ara yüzeyine göre daha mukavemetli olduğu, implant yüzey pürüzlülüğünün artmasıyla ara yüzey dayanımının arttığı, çimento manto kalınlığının 1-3 mm arasında ideal olduğu ve implant malzemesinin ara yüzey dayanımında ciddi bir fark oluşturmadığı görülmektedir. Nümerik çalışmalarda; ara yüzeylerde baskın olan gerilmelerin çekme, basma ve kesme gerilmelerinin olduğu, implant malzemesinin elastikiyet modülünün çimento ve kemik elastisite modülüne yaklaşmasıyla ara yüzeylerde oluşan gerilmelerin azaldığı ve statik yükleme koşullarında bile ara yüzeylerde oluşan gerilmelerin maksimum dayanım değerlerini geçerek implant-çimento ve çimento-kemik ara yüzeylerini yer yer hasara uğrattığı görülmektedir.

Abstract:
Total hip replacement is an orthopedic treatment that has been widely used in patients with hip joint disease for many years. In the hip joint replacement, the implant is fixed into the femoral bone in two ways as cemented and uncemented. One of the biggest problems encountered in cemented joint replacement is the aseptic loosening of the implant in the femoral bone. Due to aseptic loosening the patients must have a revision surgery to renew the implant connection. In this study, the mechanical strength of the implant-cement and cement-bone interfaces with significant effects on the mechanics of cemented total hip replacement were investigated experimentally and numerical. In the experimental studies, impact, tensile-shear and push-out strengths of the implant-cement and cement-bone interfaces and parameters such as implant surface roughness, implant material and cement mantle thickness which may affect these strengths were investigated in vitro. In the numerical study, the hip joint of a patient exposed to cement hip replacement was modeled by finite element method and it was investigated what kind of stresses occurred in the implant-cement and cement-bone interfaces in case of one foot on the walking cycle. The magnitude and location of the stresses and the effects of different implant materials on these stresses were determined. In addition, the strength values obtained from the experimental studies were evaluated in the finite element analysis and the failure analysis of the cemented hip replacement was performed. Experimental studies showed thats; the cement-bone interface is more strenght than the implant-cement interface with the same surface roughness, increased interfacial strenght with increased implant surface roughness, the thickness of the cement mantle is ideal between 1-3 mm and implant material has no significant affect on the interfacial strength of implant-cement interface. Numerical studies showed that; the stresses which are predominant on the interfaces are tensile, compression and shear stresses, as the elasticity module of the implant material approaches the modulus of elasticity of the cement and bone, the stresses on the interfaces are reduced and even under static loading conditions, the stresses on the interfaces exceed the maximum strength values and cause damage to the both implant-cement and cement-bone interfaces.