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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

22.10. - 25.10.2013, Berlin

Graphen eingebettet in Polyethylen – ein neuer Gleitpartner in der Endoprothetik ? – Biomechanische Ergebnisse

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Anke Bernstein - Universitätsklinikum Freiburg, Muskuloskelettales Forschungslabor, Freiburg, Germany
  • Hermann O. Mayr - OCM Klinik, Orthopädische Chirurgie München, München, Germany
  • Norbert Südkamp - Universität Freiburg, Department Orthopädie und Traumatologie, Freiburg, Germany
  • Dirk Heinrich - Universitätsklinikum Freiburg, Muskuloskelettales Forschungslabor, Freiburg, Germany
  • J. Phillipe Kretzer - Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Biomechanik, Heidelberg, Germany
  • Robert Sonntag - Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Heidelberg, Germany
  • Raimund Jaeger - Fraunhofer-Institut fuer Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, Germany
  • Raimund Jaeger - Fraunhofer-Institut fuer Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, Germany
  • Rolf Muelhaupt - Universität Freiburg, Institut für Makromolekulare Chemie, Freiburg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013). Berlin, 22.-25.10.2013. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2013. DocGR20-1300

doi: 10.3205/13dkou554, urn:nbn:de:0183-13dkou5543

Veröffentlicht: 23. Oktober 2013

© 2013 Bernstein et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Das Polyethylen als Gleitwerkstoff ist der meistverwendete Werkstoff für den Gelenkflächenersatz. Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung liegt auf der Verbesserung des Abriebverhaltens von Polyethylen. Graphene sind als sind als Komponenten für Polymernanokomposite hochinteressant.

Zentrales Ziel des Vorhabens ist, zu prüfen, ob das Kompositmaterial bestehend aus ultrahochmolekularem Polyethylen und Graphen zu einer Verbesserung des Gleitpartners Polyethylen in der Endoprothetik führen kann.

Methodik: Es wurden Kompositmaterialien mit unterschiedlichen Füllstoffgehalten an funktionalisierten Graphenen (0, 0.5, 1, 2.5, 5 und 10 wt.%) hergestellt. Neben morphologischen Parametern wie Dispergierung wurden folgende mechanischen Parameter ermittelt: E-Modul, Festigkeit, Bruchdehnung und der Reibungskoeffizient (COF). Die Abriebbeständigkeit wurde ebenfalls analysiert. Hier kam der Pin-on-Disc Versuch zur Anwendung. Der Versuch wurde in zwei Millionen Zyklen gefahren.

Statistische Analyse: T-Test, Mann-Whitney-U-Test, Wilcoxon-Test mit statistischer Signifikanz p<0.05.

Ergebnisse: Die Graphene sind gleichmäßig in der Polymermatrix verteilt. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gegenüber ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE) ist bei 1% Füllstoffgehalt am höchsten. Hier wird die Steifigkeit um 75%, die Festigkeit um 150% und die Bruchdehnung um 150 % erhöht. Der Reibungskoeffizient in FKS erniedrigt sich von 0.136 auf 0.078. Im Pin-on-Disc Versuch zeigten sich keine Unterschiede in der Abriebbeständigkeit.

Schlussfolgerungen: Der Zusatz von funktionalisierten Graphenen führt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von UHMWPE. Diese Studie zeigt, dass ein Füllstoffgehalt von 1% am erfolgversprechendsten für eine orthopädische Anwendung ist.