PMMA骨水泥断裂韧性测试

骨水泥在膝关节、髋关节、肩部和肘部关节成形术中通过填充植入物和骨之间的空间来固定关节。本文讨论了测定聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥断裂韧性的方法。

PMMA是最常见的骨水泥形式，可以进入几种不同的品种。可以调节化学制剂，或者可以用抗生素剂浸渍水泥，这可以改变机械性能。最重要的骨水泥功能是将负载从植入物转移到骨骼上并在两者之间吸收震荡。因此，了解故障模式和对裂缝的抵抗对于评估性能至关重要。

骨水泥通常由两部分环氧树脂提供，由粉末和液体混合而成。在混合后，骨水泥从流动的液体变成面团状的材料，可以被塑造成空间。聚合过程中发生放热反应，固化成硬化的水泥，将植入物固定到位。

有几种测试方法可以用来评估骨水泥的性能:

• ASTM F451 - 丙烯酸骨水泥的标准规范
• ASTM F2118 - 丙烯酸骨水泥材料恒压恒压试验的试验方法。
• ISO 5833 - 用于外科丙烯酸树脂水泥的植入物

然而，本文将特别使用ASTM E399和ASTM D5045方法的PMMA骨水泥的平纲 - 应变断裂韧性试验。

评估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是紧凑拉伸(CT)和单边缺口弯曲(SENB)。

在这里描述的例子中，使用ASTM E399和ASTM D5045中描述的方程、样品设计和测试方法对医用PMMA骨水泥进行了测试。我们使用了SENB样品的几何形状，并报告了K1C值。

样本设计

选择合适的试件尺寸和几何形状对保证裂纹尖端的平面应变条件是很重要的。为了保证获得有效的断裂韧性值，需要一个锋利的启动缺口。

当选择合适的试件几何形状时，要考虑几个因素，包括可用材料的数量、材料的成本、裂纹的方向和制作试件的难度。由于大多数骨水泥使用的数量较小，几何形状也不同，试图标准化一个标本是困难的，因为常见的尺寸具有有限的生理相关性。骨水泥测试样品是通过使用制造商推荐的技术，以适当的比例混合液体和粉末，并将其倒入定制的模具中，以复制SENB的几何形状。这种几何形状使用更少的材料，使它更容易加工材料，直到最终的样品尺寸。

标本制造

用于创建样品的定制模具是用食品级硅酮和Delrin材料制作的，以提供足够的刚度(图1)。该模具稍微过大，包括完整的刀口，以便在测试样品形成和固化后进行加工。这可以去除水泥固化过程中出现的不规则表面和任何变形。还采取了额外的步骤来清洁和准备用于测试的标本。

测试方法

本试验的主要重点是将PMMA骨水泥置于平面应变条件下。为了测试平面应变条件，一个锋利的缺口被用来启动裂纹的期望位置的试样。裂纹可以由疲劳载荷产生，通常称为疲劳预裂纹(ASTM E399)或将剃须刀片压入试样，产生锋利的缺口和裂纹(ASTM D5045)。

如果水泥具有脆性行为，疲劳预裂缝最佳。将SENB样本装入ASTM E399规范中概述的3点弯曲夹具（图2），以产生疲劳预裂纹并进行断裂韧性试验。

如果水泥表现出延展性，首选的方法是ASTM D5045规范中描述的方法。这种方法要求将刀片压入缺口，以产生类似于疲劳预裂纹方法的裂纹。当使用疲劳预裂纹或刀片法时，关键是缺口是直的，并向试件延伸不小于0.050 "。裂纹形成后，穿透染料有助于区分裂纹和试样断口的断裂韧性测试。

断裂韧性试验使用相同的夹具作为疲劳预裂纹方法。对于PMMA骨水泥，ASTM E399中呼出的负载率太快，结果不会导致结果不一致。ASTM D5045中描述的改进位移率适用于材料，并提供更一致的结果。建议对每个材料条件执行三个或更多测试。

试件加载后，得到加载点位移曲线。通过确定K1C值的多个计算来路由数据输出。

报告和分析

ASTM E399和D5045是脆性材料的理想测试方法。存在三种力 - 位移模式（图3），来自初始线性部分的95％偏差（或割线）。在这个数字上，95％偏差穿过测试数据的点对于确定测试有效性很重要（它有资格作为K1C - 限定样品尺寸足以平面 - 应变条件）。由于该95％偏差交叉口和最大力之间的差异，测试将无效的可能性越大。如果这种差异太大，ASTM E399允许使用替代测试方法。

影响测试有效性的其他因素是预裂纹长度，预裂缝直线度和装载速率。如果其中任何一个无效，则必须将最终断裂韧性值报告为无效。但是，无效的裂缝韧性值并不意味着数据无法使用。无效值可以在与有效的裂缝韧性值相同的应用中使用，但如果需要有效的断裂韧性值，则需要进行额外的测试来研究导致无效的因素。更改测试参数或试样尺寸不会保证有效的断裂韧性值。

总体测试输出（K1C）测量在存在缺陷中抗裂缝的材料能力，这对于了解骨水泥的性质至关重要。

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