Yang Dae Hyeok;Yoon Goan Hee;Shin Gyun Jeong;Kim Soon Hee;Rhee John M.;Khang Gilson;Lee Hai Bang
Macromolecular Research
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v.13
no.2
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pp.120-127
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2005
Conventional poly(methyl methacrylate) (PMMA) bone cement has been widely used as an useful biopolymeric material to fix bone using artificial prostheses. However, many patients had to be reoperated, due to the poor mechanical and thermal properties of conventional PMMA bone cement, which are derived from the presence of unreacted MMA liquid, the shrinkage and bubble formation that occur during the curing process of the bone cement, and the high curing temperature ($above 100^{\circ}C$) which has to be used. In the present study, a composite PMMA bone cement was prepared by impregnating conventional PMMA bone cement with ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) powder, in order to improve its mechanical and thermal properties. The UHMWPE powder has poor adhesion with other biopolymeric materials due to the inertness of the powder surface. Therefore, the surface of the UHMWPE powder was modified with two kinds of silane coupling agent containing amino groups (3-amino propyltriethoxysilane ($TSL 8331^{R}$) and N-(2-aminoethyl)-3-(amino propyltrimethoxysilane) ($TSL 8340^{R}$)), in order to improve its bonding strength with the conventional PMMA bone cement. The tensile strengths of the composite PMMA bone cements containing $3 wt\%$ of the UHMWPE powder surface-modified with various ratios of $TSL 8331^{R}$ and $TSL 8340^{R}$ were similar or a little higher than that of the conventional PMMA bone cement. However, no significant difference in the tensile strengths between the conventional PMMA bone cement and the composite PMMA bone cements could be found. However, the curing temperatures of the composite PMMA bone cements were significantly decreased.
The purpose of this study was to evaluate histologically the effect of LiF-maleic acid added calcium aluminate(LM-CA) bone cement & CA-PMMA composite bone cement on the healing of calvarial defect in Sprague-Dawley rats. The critical size defects were surgically produced in the calvarial bone using the 8mm trephine bur. The rats were divided in three groups : In the control group, nothing was applied into the defect of each rat. LM-CA bone cement was implanted in the experimental group 1 and CA-PMMA composite bone cement was implanted in the experimental group 2. Rats were sacrificed at 2, 8 weeks after surgical procedure. The specimens were examined by histologic analysis, especially about the bone-cement interface and the response of surrounding tissue. The results are as follows; 1. In the control group, inflammatory infiltration was observed at 2 weeks. At 8 weeks, periosteum and duramater were continuously joined together in the defect area. But the center of defect area was filled up with the loose connective tissue. 2. In the experimental group 1, the bonding between implanted bone cement and the existing bone was seen, which more increased in 8 weeks than 2 weeks. Inflammatory infiltration and the dispersion of implanted bone cement particles were seen in both 2 weeks and 8 weeks. 3. In the experimental group 2, implanted bone itself had a dimensional stability and no bonding between implanted bone cement and the existing bone was seen in both 2 weeks and 8 weeks. Implanted bone cement was encapsulated by fibrous connective tissue. In addition, inflammatory infiltration was seen around implanted bone cement. On the basis of these results, when LM-CA bone cement or CA-PMMA composite bone cement was implanted in rat calvarial defect, LM-CA bone cement can be used as a bioactive bone graft material due to ability of bonding to the existing bone and CA-PMMA can be used as a graft material for augmentation of bone-volume due to dimensional stability.
Moon, H.W.;Lee, M.K.;Park, J.Y.;Chae, S.W.;Lee, T.S.
Proceedings of the KSME Conference
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2003.11a
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pp.1368-1372
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2003
PMMA which is used as the bone cement for vertebroplasty is able to be a supporter, as a fixing supporter role, for broken trabecular structure, caused by the compressed fracture of spine on aged osteoporosis. In this thesis, as experimenting apparent density of bone pieces, we have figured out support extent of Young's modulus as classifying the bone pieces injected PMMA and the others which are not. In case of low apparent density of PMMA in some bone, Young's modulus seems to be more supportable to bone. On the other hand, if apparent density of bones is normal, injection of PMMA is not very effective on improvement in Young's modulus of bone cement injection.
The compressed fracture of spine caused by osteoporosis is one of the most frequent diseases in bone fracture. Recently the vertebroplasty has drawn much attention as a medical treatment for the compressed fracture of spine, which strengthens the vertebral body and corrects deformity, and relieves pain in patients by injecting bone cement. But because there were no research about strengthening of mechanical properties of verbral body in bone cement injection, in this study, based on the properties of PMMA, we had measured the Young's modulus for different apparent densities of intact trabecular bone and PMMA injected one from a porcine and a cadaver. Young's modulus to apparent density had a form of a power series in intact trabecular bone and had a linear relation in PMMA injected bone.
Control of bone cement volume (PMMA) may be critical for preventing complications in vertebroplasty, the percutaneous injection of PMMA into vertebra. The purpose of this study was to predict the optimal volume of PMMA injection based on CT images. For this, correlation between PMMA volume and textural features of CT images was examined before and after surgery to evaluate the appropriate PMMA amount. The gray level run length analysis was used to determine the textural features of the trabecular bone. Extimation of PMMA volume was done using 3D visualization with semi-automatic segmentation on postoperative CT images. Then, finite element (FE) models were constructed based on the CT image data of patients and PMMA volume. Appropriate material properties for the trabecular bone were assigned by converting BMD to elastic modulus. Structural reinforcement due to the changes in PMMA volume and BMD was assessed in terms of axial displacement of the superior endplate. A strong correlation was found between the injected PMMA volume and the area of the intertrabecular space and that of trabecular bone calculated from the CT images (r=0.90 and -0.90, respectively). FE results suggested that vertebroplasty could effectively reinforce the osteoporotic vertebra regardless of BMD or PMMA volume. Effectiveness of additional PMMA injection tended to decrease. For patients with BMD well lower than 50mg/ml, injection of up to 30% volume of the vertebral body is recommended. However, less than 30% is recommended otherwise to avoid any complications from excessive PMMA because the strength has already reached the normal level.
Kim, Woon-Kyu;Kim, Su-Gwan;Cho, Se-In;Ko, Young-Moo;Yoon, Jung-Hoon;Ahn, Jong-Mo
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.27
no.6
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pp.491-497
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2001
Polymethylmethacrylate(PMMA) is currently commonly used material for the reconstruction of bone defects and fixation of joint prosthetics following congenital and acquired causes. Although PMMA has widespread use, it does not possess the ideal mechanical characteristics with osteoconductivity and osteoinductivity required. In order to overcome these problem, addition of bovine bone drived defatting demineralized bone(BDB) powders to a PMMA bone cement was done for improvement of physical property and bone forming characteristics of composite. In order to investigate the influence of BDB reinforcement on the PMMA, we measured physical property of compressive, tensile, flexural strength, and scanning electron microscopic examinations. The results were obtained as follows: 1. The PMMA forms a solid cellular matrix with open cells about $100{\mu}m$ in variable size and incorporating BDB. BDB aggregates inside the cells form a porous network that is accessible from the outer surface. 2. The physical properties were compressive strength of mean $22.74{\pm}1.69MPa$, tensile strength of mean $22.74{\pm}1.69MPa$, flexural strength of mean $77.53{\pm}6.93MPa$. Scanning electron microscopic examinations were revealed that there was DBD particles form a highly porous agglomerates. BDB can be added PMMA in the form of dried powders, the composites are applicable as bone substitutes. BDB and PMMA mixture is shown to produce a class of composites that due to their microstructure and improved mechanical properties may be suitable for application as bone subsitutes. The mechanical and material properties of the BDB-PMMA bone substitute composites are competitive with those properties of a porous ceramic matrix of other hydroxyapatite and with those of natural bones.
Ko, Jong Tae;Yang, Dae Hyeok;Kim, Moon Suk;Khang, Gilson;Kim, Yong Sik;Rhee, John M.;Lee, Hai Bang
Journal of Adhesion and Interface
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v.7
no.3
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pp.1-9
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2006
To improve the poor mechanical and thermal properties of conventional PMMA bone cement, we impregnated three types of polyethylenes (PE) (200, 3,800, and 8,000 kg/mol). MMA/xylene solution was used to modify the surfaces of PEs and new composite PMMA bone cements were manufactured by impregnating 3 wt% of the surface-modified PEs into conventional PMMA bone cement. As molecuar weigth of PE increased, tensile strengths of the manufactured composite PMMA bone cements were improved. Also, we confirmed that the curing temperatures of the composite PMMA bone cements decreased from near $100^{\circ}C$ to $40^{\circ}C{\sim}80^{\circ}C$.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.05a
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pp.146-149
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2002
It is reported that the mechanical properties of vertebral trabecular bone depend on the density and the mass of bones. Osteoporosis is a systemic skeletal disease caused by low bone mass and microstructure deterioration of trabecular bone. Silva and Gibson (1997) studied the treatment of age-related bone loss using drug therapy. Vertebroplasty is a minimally invasive surgery for the treatment of osteoporosis vertebrae. This procedure includes puncturing vertebrae and filling with Polymethylmethacrylate (PMMA). However, the relative effect of drug therapy and bone cement for osteoporosis treatment is not reported yet. In this study, several 2D models of human vertebral trabecular bone are analyzed by finite element method. The mechanical behaviors of the vertebral trabecular bone treated by the drug therapy and the bone cement are compared. This study shows that bone cement treatment is more effective strategy than drug therapy to prevent the degradation of bone strength.
In orthopedic surgery and in particular in total hip arthroplasty, the implant fixation is carried out using a surgical cement called polymethylmethacrylat (PMMA). This cement has to insure a good adhesion between implant and bone and a good load distribution to the bone. By its fragile nature, the cement can easily break when it is subjected to a high stress gradient by presenting a craze zone in the vicinity of inclusion. The focus of this study is to analyze the effect of inclusion in some zone of cement in which the loading condition can lead to the crack opening leading to their propagation and consequently the aseptic loosening of the THR. In this study, the fracture behavior of the bone cement including a strange body (bone remain) from which the onset of a crack is supposed. The effect of loading condition, the geometry, the presence of both crack and inclusion on the stress distribution and the fracture behavior of the cement. Results show that the highest stresses are located around the sharp tip of bony inclusion. Most critical cracks are located in the middle of the cement mantle when they are subjected to one leg standing state loading during walking.
The presence of cavities in the bone cement has a great importance for the transport of antibiotics, but its existence in this material can lead to its weakening by notch effect. The aim of this study allows providing a physical interpretation to the cavities interconnection by cracks observed experimentally. The most important stress of Von Mises is localized at the cement/bone interface near the free edge which is the seat of stress concentration. The presence and interaction of cavities in this site concentrate, by notch effect, stresses which tend to the tensile fracture stress of Bone cement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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