The Effect of Moisture Absorption on the Fatigue Crack Propagation Resistance of Acrylic Bone Cement / Der Einfluβ der Flüssigkeitsabsorption auf die Bruchzähigkeit von Knochenzement

Abstract

In vivo, bone cement is subject to cyclic loading in a fluid environment. However, little is known about the effect of moisture absorption on the fatigue crack propagation resistance of bone cement. The effect of moisture absorption at 37 °C on the fatigue crack propagation resistance of a common bone cement (Endurance^TM, DePuy, Orthopaedics, Inc.) was examined. Preliminary fracture toughness tests were conducted on disk-shaped, vacuum-mixed cement specimens (compact tension type) that were cyclically pre-cracked. Plain-strain fracture toughness K_IC (MPa√m) was determined. To study the effect of moisture absorption four treatment groups, with different soaking periods in Ringer's at 37 °C, of Endurance^TM cement were tested. The specimens weights prior to and following soaking showed a significant increase in mean weight for specimens soaked for 8 and 12 weeks. Linear regression analysis of log (da/dN) vs. log (ΔK) was conducted on the combined data in each fatigue test group. Soaking bone cement in Ringer’s at 37 °C for 8 and 12 weeks lead to an improvement in fatigue crack propagation resistance, that may be related to water sorption that increases polymer chain mobility, with enhanced crack tip blunting. It may be more physiologically relevant to conduct in vitro studies of fatigue and fracture toughness of bone cements following storage in a fluid environment.

Im lebenden Organismus ist Knochenzement zyklischen Belastungen in einer feuchten Umgebung ausgesetzt. Dennoch ist nur wenig über den Einfluβ von Flüssigkeitsabsorption auf die bruchmechanischen Eigenschaften von Knochenzement gegenüber Einrissen infolge von Materialermüdung bekannt. Dieser Effekt sollte unter feuchten Untersuchungsbedingungen und 37 °C bei einem handelsüblichen Knochenzement (Endurance^TM, DePuy, Orthopaedics, Inc.) untersucht werden. In Vorversuchen wurde die Bruchzähigkeit des Knochenzementes bestimmt. Um den Effekt der Flüssigkeitsaufnahme des Knochenzementes zu ermitteln, wurden vier unterschiedlich lange in Ringerlösung eingeweichte Gruppen von Probekörpern untersucht. Das Gewicht der 8 und 12 Wochen in Ringerlösung gelagerten, scheibenförmigen Probekörper zeigte eine signifikante Gewichtszunahme. Des weiteren konnte eine signifikante Verbesserung der Riβzähigkeit in diesen beiden Gruppen festgestellt werden. Dies könnte an der durch die Flüssigkeitsaufnahme resultierenden veränderten Riβöffnungsverschiebungsgeschwindigkeit an der Spitze eines Risses im Knochenzement liegen, die durch eine vermehrte Beweglichkeit der polymeren Ketten im Polymethylmethacrylat entsteht.

Eine feuchte Umgebung sollte deshalb unseres Erachtens bei In-vitro-Untersuchungen von Knochenzement berücksichtigt werden, da sie den physiologischen Bedingungen, denen dieser in vivo ausgesetzt ist, eher entsprechen.