PMMA骨水泥断裂韧性测试

骨水泥在膝关节置换术中固定关节, 臀部, 肩膀, 通过填充植入物和骨头之间的空隙来填充肘部. 在本文中, 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是骨水泥最常见的形式，可以有几种不同的品种. 化学配方可以调整, 或者可以在水泥中浸渍抗生素, 哪些可以改变机械性能. 骨水泥最重要的功能是将载荷从种植体转移到骨骼，并吸收两者之间的冲击. 像这样, 了解失效模式和抗破裂性是评估性能的关键. 

骨水泥通常以两组分环氧树脂的形式提供, 由粉末和液体混合而成的. 在混合, 骨水泥从流动的液体转变成面团状的材料，可以被塑造成空间. 在聚合过程中发生放热反应, 然后固化成硬化的水泥, 将植入物固定到位.

有几种测试方法可用于评估骨水泥的性能:

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

然而, 本文将特别概述使用ASTM E399和ASTM D5045方法进行PMMA骨水泥的平面应变断裂韧性测试.

PMMA骨水泥断裂韧性评价

ASTM E399和ASTM D5045标准的目的是测定金属或塑料材料的断裂韧性(K1C). 断裂韧性试验 主要是在线弹性、平面应变条件下进行的. 典型的试样几何形状是紧密拉伸(CT)和单边缘缺口弯曲(SENB)。. 

在这里描述的示例中, 应用该方程对医用级PMMA骨水泥进行了测试, 在ASTM E399和ASTM D5045中描述的试样设计和试验方法. 我们使用SENB标本几何形状，并报告了K1C值.

样本设计

选择合适的试样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. 为了确保获得有效的断裂韧性值，需要一个锋利的启动缺口. 

选择合适的试样几何形状时, 考虑了几个因素, 包括可用材料的数量, 材料成本, 裂纹的方向和制作试样的难度. 由于大多数骨水泥的使用数量较小，且几何形状不同, 试图标准化标本是困难的，因为常见的大小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，并倒入复制SENB几何形状的定制模具中来创建的. 这种几何形状使用较少的材料，使其更容易将材料加工成最终的试样尺寸. 

标本制作

用于创建样品的定制模具由食品级硅胶和Delrin材料制成，以提供足够的刚度(图1)。. 模具略过大，包括整体刀边，允许加工一旦试样已形成和固化. 这可以去除不规则表面和水泥固化时发生的任何变形. 采取额外的步骤来清洁和准备测试的标本.

试验方法ASTM E399和ASTM D5045

本试验的主要重点是将PMMA骨水泥置于平面应变条件下. 测试平面应变条件, 一个锋利的缺口被用来在试样的期望位置产生裂纹. 疲劳载荷可产生裂纹, 通常称为疲劳预裂纹(ASTM E399)或刀片压入试样, 产生尖锐的缺口和裂纹(ASTM D5045).

如果水泥具有脆性，则疲劳预裂效果最好. 将SENB试样加载到三点弯曲夹具中(图2), 在ASTM E399规范中概述, 产生疲劳预裂纹，进行断裂韧性试验. 

如果水泥表现出延性, 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. 至关重要的是，缺口是直的，延伸不小于0.当使用疲劳预裂法或剃刀片法时，在试样中插入050 ". 裂纹形成后，穿透性染料有助于裂纹的鉴别和试样断口表面的断裂韧性测试. 

断裂韧性试验采用与疲劳预裂纹法相同的夹具. 用于PMMA骨水泥, ASTM E399中要求的加载速率太快，会导致结果不一致. ASTM D5045中描述的修正位移率适用于材料，并提供更一致的结果. 建议对每种材料条件进行三次或更多的测试. 

试件加载后，生成荷载与加载点位移曲线. 数据输出通过确定K1C值的多次计算路由. 

ASTM E399和D5045脆性材料的报告和分析

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)，与初始线性部分有95%的偏差(或割线). 在这张图上, 95%偏差与测试数据交叉的点对于确定测试有效性很重要(它符合K1C -证明试样尺寸足以满足平面应变条件)。. 当95%偏差的交集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允许使用替代测试方法.

影响测试有效性的其他因素是预裂纹长度, pre-crack平直度, 加载速率. 如果其中任何一个无效，那么最终的断裂韧性值必须报告为无效. 然而，无效的断裂韧性值并不意味着数据不可用. 无效值可以作为有效断裂韧性值在相同的应用中使用, 但是，如果需要一个有效的断裂韧性值，则需要进行额外的测试来研究导致失效的因素. 改变测试参数或试样尺寸不能保证有效的断裂韧性值. 

总体测试输出(K1C)衡量的是材料在存在缺陷的情况下抵抗断裂的能力，这对于理解骨水泥的特性至关重要. 

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