PMMA骨水泥断裂韧性测试

通过填充植入物和骨之间的空间，骨水泥在关节置换术期间在关节置换术期间固定在关节置换术期间的关节。在本文中，我们讨论了测量聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥的断裂韧性的方法。

聚甲基丙烯酸甲酯是最常见的骨水泥形式，可以有几种不同的品种。化学配方可以调整，或者可以用抗生素浸渍水泥，这可以改变机械性能。骨水泥最重要的功能是将负荷从种植体转移到骨，并吸收两者之间的冲击。因此，了解失效模式和抗断裂能力是评估性能的关键。

骨水泥通常作为两部分环氧树脂提供，由粉末和混合的液体组成。在混合时，骨水泥从流液液体变换成可以模制到空间中的面团状材料中。在聚合过程中发生放热反应，并固化成硬化的水泥，将植入物固定在适当位置。

有几种测试方法可用于评估骨水泥特性：

• ASTM F451 -丙烯酸骨水泥的标准规范
• ASTM F2118 -丙烯酸骨水泥材料恒幅力控制疲劳试验的试验方法。
• ISO 5833 -外科植入物-丙烯酸树脂水泥

然而，本文将具体概述使用ASTM E399和ASTM D5045方法对PMMA骨水泥进行平面应变断裂韧性测试。

评价PMMA骨水泥的断裂韧性

ASTM E399和ASTM D5045标准的目的是确定金属或塑料材料的断裂韧性(K1C)。断裂韧性测试主要是在线弹性、平面应变条件下进行的。典型的试件几何形状采用紧致拉伸(CT)和单边缘缺口弯曲(SENB)。

在这里描述的示例中，使用ASTM E399和ASTM D5045中描述的等式，样本设计和试验方法对医疗级PMMA骨水泥进行测试。我们使用了SENB样本几何形状，并报告了K1C值。

标本设计

选择适当的样品尺寸和几何形状对于确保满足裂纹尖端的平面应变条件非常重要。需要一种尖锐的起动器凹口，以确保获得有效的断裂韧性值。

选择合适的样品几何形状时，考虑了几个因素，包括可用的材料量，材料成本，裂缝的取向和产生试样的难度。由于大多数骨水泥用于较小的数量和不同的几何形状，因此试图标准化样本是困难的，因为常见的尺寸具有有限的生理相关性。通过使用制造商推荐的技术将液体和粉末混合在适当的比例下将液体和粉末混合来产生骨水泥试样，并将其浇注到制成的定制模具中以复制SENB几何形状。这种几何形状使用更少的材料，使将材料更容易到最终样本尺寸。

标本制作

用于创建样品的定制模具是用食品级硅胶和Delrin材料制作的，以提供足够的刚度(图1)。模具的尺寸略大，包括完整的刀口，以便在测试样品形成和固化后进行加工。这样就可以去除水泥固化过程中出现的不规则表面和任何扭曲。额外的步骤是采取清洁和准备样品的测试。

测试方法

该测试的主要焦点是将PMMA骨水泥对抗平面应变条件。为了测试平面 - 应变条件，使用锋利的凹口用于在样本的所需位置引发裂缝。裂缝可以通过疲劳负载产生，通常称为疲劳预裂纹（ASTM E399）或压制到样本中的剃刀刀片，产生尖锐的凹口和裂缝（ASTM D5045）。

如果水泥具有脆性，疲劳预裂效果最好。将SENB试样装入ASTM E399规范中列出的3点弯曲夹具(图2)，以产生疲劳预裂纹并进行断裂韧性测试。

如果水泥表现出延展性行为，则优选的方法是在ASTM D5045规范中描述。该方法要求将剃刀刀片压入凹口中以产生类似于疲劳预裂纹方法的裂缝。当使用疲劳前裂纹或剃须刀叶片方法时，凹口凹口径向直链并延伸到样本中。在裂缝形成穿透染料后，有助于将裂缝和断裂韧性试验分化在标本的骨折表面上。

断裂韧性试验采用与疲劳预裂法相同的夹具。对于PMMA骨水泥，ASTM E399中的加载速率太快，将导致不一致的结果。在ASTM D5045中描述的修正位移速率适用于该材料，并提供了更一致的结果。建议对每种材料条件进行三次或更多的测试。

装载样品后，产生负载与负载点位移曲线。数据输出通过确定K1C值的多个计算路由。

报告和分析

ASTM E399和D5045是脆性材料的理想测试方法。三种力-位移模式存在(图3)与初始线性部分有95%的偏差(或割线)。在这个图中，95%的偏差穿过测试数据的点对于确定测试的有效性很重要(它符合K1C -符合样品尺寸足以满足平面应变条件)。当这个95%的偏差相交和最大力之间的差值增加时，测试无效的可能性就越大。如果差异太大，ASTM E399允许使用另一种测试方法。

影响试验有效性的其他因素是预裂纹长度、预裂纹直线度和加载速率。如果其中任何一个是无效的，那么最终的断裂韧性值必须报告为无效。然而，一个无效的断裂韧性值并不意味着数据是不可用的。无效值可以作为有效的断裂韧性值在相同的应用中使用，但如果需要有效的断裂韧性值，则需要进行额外的测试，以调查导致无效的因素。改变测试参数或样品尺寸不能保证有效的断裂韧性值。

整体测试输出(K1C)测量了材料在存在缺陷时抗骨折的能力，这对理解骨水泥的性能至关重要。

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