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Chemische und physikalische Eigenschaften von PMMA-Knochenzementen

Chemical and physical properties of PMMA bone cements

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Zusammenfassung

Knochenzemente auf PMMA-Basis werden zur Verankerung künstlicher Gelenke eingesetzt. Die Zemente werden als Zweikomponentensysteme angeboten. Beim Anmischen entsteht durch radikalische Polymerisation ein flüssiger Teig, der mit fortschreitender Polymerisation unter Viskositätsanstieg vollständig zu einer festen Zementmatrix aushärtet. Die Polymerisation von MMA zu PMMA ist ein exothermer Prozess, es wird Energie in Form von Wärme frei. Nach Fixierung der Prothese und Aushärtung des Zementes füllt der Zement den Raum zwischen Prothese und Knochen aus. Mit dem Füllstoff PMMA entsteht eine starke kraft- und formschlüssige mechanische Verbindung. Die wesentlichen Eigenschaften der PMMA-Zemente werden durch die Pulverkomponente vorgegeben. In vivo nehmen die harten und spröden Knochenzemente Körperflüssigkeiten auf, werden elastischer und weicher. Eigenschaften der verschiedenen PMMA-Knochenzemente unterscheiden sich erheblich, obwohl die chemische Acrylatbasis identisch ist.

Abstract

PMMA-based bone cements are used for anchoring artificial joints. The cements are offered as two-component systems. During mixing, a liquid paste is formed by free-radical polymerization, which completely hardens into a solid cement matrix as polymerization progresses with an increase in viscosity. Polymerization from MMA to PMMA is an exothermic process, energy is released in the form of heat. After fixation of the prosthesis and curing of the cement, the cement fills the space between the prosthesis and the bone. With the filler PMMA, a strong force-locking and interlocking mechanical bond is created. The essential properties of PMMA cements are dictated by the powder component. In vivo, the hard and brittle bone cements absorb body fluids and become more elastic and softer. The properties of various PMMA bone cements differ significantly, although the chemical acrylate base is identical.

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Abb. 6

Abbreviations

BuMA:

Butylmethacrylat

DBPO :

Dibenzoylperoxid

DmpT :

N,N-Dimethyl-p-toluidin

ISO :

Internationale Organisation für Normung

MA-MMA :

Methylacrylat-MMA

MMA :

Methacrylsäuremethylester

MMA-EA :

MMA-Ethylacrylat

PMMA :

Polymethylmethacrylat

Literatur

  1. American Society for Testing and Materials (ASTM) (2017) ASTM D 2990:2017, Prüfung des Kriechverhaltens von Kunststoffen unter Zug‑, Druck- und Biegebeanspruchung und Kriechbruch

    Google Scholar 

  2. Baker AS, Greenham LW (1988) Release of gentamicin from acrylic bone cement. Elution and diffusion studies. J Bone Joint Surg Am 70:1551–1557

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  3. Bhatia MS (2000) Allergy to tartrazine in psychotropic drugs. J Clin Psychiatry 61(7):473–476

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  4. Boesch P, Harms H, Lintner F (1987) Zur Toxizität der Knochenzementbestandteile. In: Willert H‑G, Buchhorn G (Hrsg) Knochenzement: Aktuelle Probleme in der Chirurgie und Orthopädie. Knochenzement: Aktuelle Probleme in der Chirurgie und Orthopädie

    Google Scholar 

  5. Breusch SJ, Malchau H (2005) The well-cemented total hip arthroplasty. Theory and practice. Springer, Berlin, Heidelberg https://doi.org/10.1007/3-540-28924-0

    Book  Google Scholar 

  6. Breusch SJ, Kühn K‑D (2003) Knochenzemente auf Basis von Polymethylmethacrylat. Orthopäde 32(1):41–50. https://doi.org/10.1007/s00132-002-0411-0

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  7. Buchholz HW, Engelbrecht H (1970) Über die Depotwirkung einiger Antibiotika bei Vermischung mit dem Kunstharz Palacos. Chirurg 41:511–515

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  8. Buchhorn GH (Hrsg) (1994) Technical principles, design and safety of joint implants. Hogrefe & Huber, Seattle, S 49–53

    Google Scholar 

  9. Buchhorn GH, Streicher RM, Willert HG (1992) Exposition des chirurgischen/orthopädischen OP-Personals durch Monomer-Dämpfe bei der Anwendung von Knochenzementen – Literaturstudie und Erfahrungsbericht. Biomed Eng 37:293–302. https://doi.org/10.1515/bmte.1992.37.12.293

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. Charnley J (1970) Acrylic cement in orthopaedic surgery. Livingstone, Edinburgh

    Google Scholar 

  11. Charnley J (1960) Anchorage of the femoral head prosthesis to the shaft of the femur. J Bone Joint Surg Br 42:28–30. https://doi.org/10.1302/0301-620X.42B1.28

    Article  PubMed  Google Scholar 

  12. Crout GMG, Corkill JA, James ML, Ling RSM (1979) Methylmethacrylate metabolism in man: the hydrolysis of methylmethacrylate to methacrylic acid during total hip replacement. Clin Orthop Relat Res 141:90–95

    CAS  Google Scholar 

  13. Smith DC, Bains MED (1955) Residual methyl methacrylate in the denture base and its relation to denture sore mouth. Br Dent J 98:55–58

    Google Scholar 

  14. Dean SW, Soltész U, Schäfer R, Jaeger R, Gopp U, Kühn K‑D (2005) Fatigue testing of bone cements—comparison of testing arrangements. J ASTM Int 2:13105. https://doi.org/10.1520/JAI13105

    Article  Google Scholar 

  15. Deb S (Hrsg) (2008) Orthopaedic bone cements. Elsevier, Cambridge. ISBN 978-1-84569-376‑3

    Google Scholar 

  16. Ege W, Kühn K‑D (2001) Industrial development of bone cement twenty-five years of experience. In: Walenkamp G, Murray DW (Hrsg) Bone cements and cementing technique, 1. Aufl. Springer, Berlin, Heidelberg, S 7–14 https://doi.org/10.1007/978-3-642-59478-6_2. ISBN 3‑540-41677‑3

    Chapter  Google Scholar 

  17. Eggert A, Seidel H, Ruhnke J (1977) Der Übertritt von Methylmethacrylat-Monomer in die Blutbahn des Menschen nach Hüftgelenksersatzoperationen. Arch Orthop Unfallchir 87:343–348

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  18. Elson RA, Jephcott AE, McGechie DB, Verettas D (1977) Antibiotic-loaded acrylic cement. J Bone Joint Surg Br 59(2):200–205. https://doi.org/10.1302/0301-620X.59B2.873980

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  19. Eriksson RA, Albrektsson T (1984) The effect of heat on bone regeneration: an experimental study in the rabbit using the bone growth chamber. J Oral Maxillofac Surg 42:705–711. https://doi.org/10.1016/0278-2391(84)90417-8

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  20. Fisher AA (1954) Allergic sensitization of the skin and oral mucosa to acrylic denture materials. JAMA 156:238–242. https://doi.org/10.1001/jama.1954.02950030030010

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Frommelt L (2004) Lokale Antibiotikatherapie. Weshalb lokale Antibiotika bei der Behandlung von Infektionen am Bewegungsapparat? In: Schnettler R, Steinau HU (Hrsg) Septische Knochenchirurgie. Thieme, Stuttgart, S 82–90 https://doi.org/10.1055/b-0034-56755. ISBN 3‑13-116981‑8

    Chapter  Google Scholar 

  22. Geier J, Lessmann H, Becker D, Thomas P (2008) Allergologische Diagnostik bei Verdacht auf Implantatunverträglichkeit: Hinweise für die Praxis. Eine Stellungnahme der Deutschen Kontaktallergie-Gruppe (DKG). Hautarzt 59:594–597. https://doi.org/10.1007/s00105-008-1587-y

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  23. Gilbert JL, Hasenwinkel JM, Wixson RL, Lautenschlager EP (2000) A theoretical and experimental analysis of polymerization shrinkage of bone cement: a potential major source of porosity. J Biomed Mater Res 52:210–218

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  24. Haas SS, Brauer GM, Dickson G (1975) A characterization of polymethylmethacrylate bone cement. J Bone Joint Surg Am 57:380–391

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  25. Hansen E, Kühn K‑D (Hrsg) (2022) Essentials of cemented knee arthroplasty. Springer, Berlin, Heidelberg https://doi.org/10.1007/978-3-662-63113-3. ISBN 978-3-662-63113‑3

    Book  Google Scholar 

  26. Internationale Organisation für Normung (ISO) (2002) ISO 5833:2002-05, Chirurgische Implantate – Knochenzemente auf Basis von Acrylharz

    Google Scholar 

  27. Internationale Organisation für Normung (ISO) (2008) ISO 16402:2008, implants for surgery—acrylic resin cement—flexural fatigue testing of acrylic resin cements used in orthopaedics

    Google Scholar 

  28. Judet JJ‑R (1950) The use of an artificial femoral head for arthroplasty of the hip joint. J Bone Joint Surg Br 32:166–173. https://doi.org/10.1302/0301-620X.32B2.166

    Article  PubMed  Google Scholar 

  29. Kim SL, Skibo M, Manson JA, Hertzberg RW (1977) Fatigue crack propagation in poly(methyl methacrylate): effect of molecular weight and internal plasticization. Polym Eng Sci 17(3):194–203. https://doi.org/10.1002/pen.760170308

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. Krenn V, Perino G, Krenn VT et al (2016) Histopathologische Diagnostik von Gelenkendoprothesen-assoziierten Erkrankungen. Hautarzt 67:365–372. https://doi.org/10.1007/s00105-016-3778-2

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  31. Kühn K‑D (2000) Bone cements. Up-to-date comparison of physical and chemical properties of commercial materials, 1. Aufl. Springer, Berlin, Heidelberg. ISBN 3‑540-67207‑9

    Google Scholar 

  32. Kühn K‑D (2001) Knochenzemente für die Endoprothetik. Ein Aktueller Vergleich der physikalischen und chemischen Eigenschaften handelsüblicher PMMA-Zemente. Springer, Berlin, Heidelberg, New York. ISBN 3‑540-41182‑8

    Google Scholar 

  33. Kühn K‑D (2014) PMMA cements—are we aware what we are using? Springer, Berlin, Heidelberg https://doi.org/10.1007/978-3-642-41536-4

    Book  Google Scholar 

  34. Kühn K‑D, Ege W, Maurer H, Tuchscherer C, Gopp U (2001) Die Glasübergangstemperatur – Kenngröße zur Charakterisierung. Biomaterials 2(2):87–92

    Google Scholar 

  35. Kühn K‑D, Höntzsch D (2015) Augmentation mit PMMA-Zement. Unfallchirurg 118:737–748. https://doi.org/10.1007/s00113-015-0059-y

    Article  PubMed  Google Scholar 

  36. Kühn K‑D, Renz N, Trampuz A (2017) Lokale Antibiotikatherapie. Unfallchirurg 120:561–572. https://doi.org/10.1007/s00113-017-0372-8

    Article  PubMed  Google Scholar 

  37. Kühn K‑D, Specht R, Ege W, Kock H‑J (2001) Mechanical properties of bone cements. In: Walenkamp G, Murray DW (Hrsg) Bone cements and cementing technique, 1. Aufl. Springer, Berlin, Heidelberg, S 27–41. ISBN 3‑540-41677‑3

    Chapter  Google Scholar 

  38. Labitzke R, Paulus M (1974) Intraoperative Temperaturmessungen in der Hüftchirurgie während der Polymerisation des Knochenzementes Palacos. Arch Orthop Unfallchir 79:341–346. https://doi.org/10.1007/BF00418804

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  39. Lee C (2005) The importance of establishing the best bone-cement interface. In: Breusch S, Malchau H (Hrsg) The well-cemented total hip arthroplasty. Springer, Berlin, Heidelberg, S 119–124 https://doi.org/10.1007/3-540-28924-0_14

    Chapter  Google Scholar 

  40. Lee A, Ling RSM, Gheduzzi S, Simon J‑P, Renfro RJ (2002) Factors affecting the mechanical and viscoelastic properties of acrylic bone cement. J Mater Sci Mater Med 13:723–733. https://doi.org/10.1023/a:1016150403665

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  41. Lee A, Ling RSM, Wrighton JD (1973) Some properties of polymethylmethacrylate with reference to its use in orthopedic surgery. Clin Orthop Relat Res 95:281

    Google Scholar 

  42. Lewis G (1997) Properties of acrylic bone cement: state of the art review. J Biomed Mater Res 38:155–182

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  43. Lewis G, Mladsi S (1998) Effect of sterilization method on properties of Palacos R acrylic bone cement. Biomaterials 19:117–124. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(97)00165-8

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  44. Lu Z, McKellop H (1997) Effects of cement creep on stem subsidence and stresses in the cement mantle of a total hip replacement. J Biomed Mater Res 34:221–226

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  45. Mpotsaris A, Abdolvahabi R, Hoffleith B, Nickel J, Harati A, Loehr C, Gerdes CH, Hennigs S, Weber W (2011) Percutaneous vertebroplasty in vertebral compression fractures of benign or malignant origin: a prospective study of 1188 patients with follow-up of 12 months. Dtsch Ärztebl Int 108:331–338. https://doi.org/10.3238/arztebl.2011.0331

    Article  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  46. Norman TL, Kish V, Blaha JD, Gruen TA, Hustosky K (1995) Creep characteristics of hand- and vacuum-mixed acrylic bone cement at elevated stress levels. J Biomed Mater Res 29:495–501. https://doi.org/10.1002/jbm.820290409

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  47. Nottrott M, Mølster AO, Moldestad IO, Walsh WR, Gjerdet NR (2008) Performance of bone cements: are current preclinical specifications adequate? ActaO 79:826–831. https://doi.org/10.1080/17453670810016920

    Article  Google Scholar 

  48. Planck H (Hrsg) (1993) Kunststoffe und Elastomere in der Medizin. Kohlhammer, Stuttgart

    Google Scholar 

  49. Rudigier J, Grünert A (1978) Tierexperimentelle Untersuchungen zur Pathogenese intraoperativer Kreislauf- und Atmungsrektionen bei der Implantation sogenannter Knochenzemente in die Markhöhles eines Röhrenknochens. Archives of orthopaedic and traumatic surgery. Archiv für orthopädische und Unfall. Chirurgie 91:85–95. https://doi.org/10.1007/BF00378889

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. Sabokbar A, Fujikawa Y, Murray DW, Athanasou NA (1997) Radio-opaque agents in bone cement increase bone resorption. J Bone Joint Surg Br 79:129–134. https://doi.org/10.1302/0301-620x.79b1.6966

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  51. Schlag G, Schliep HJ, Dingeldein E, Grieben A, Ringsdorf W (1976) Sind intraoperative Kreislaufkomplikationen bei Alloarthroplastiken des Hüftgelenks durch Methylmethacrylat bedingt. Anaesthesist 25:60–67

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  52. Soltész U, Schäfer R, Kühn K‑D (1998) Einfluß von Anmischbedingungen und Beimengungen auf das Ermüdungsverhalten von Knochenzementen, S 89–94 (1. Tagung des DVM-Arbeitskreises „Biowerkstoffe“)

    Google Scholar 

  53. Stea S, Granchi D, Zolezzi C, Ciapetti G, Visentin M, Cavedagna D, Pizzoferrato A (1997) High-performance liquid chromatography assay of N,N-dimethyl-p-toluidine released from bone cements: evidence for toxicity. Biomaterials 18:243–246. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(96)00121-4

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  54. Steiner O, Melanie K, Walter G, Peter T, Kühn K‑D (2002) Is benzoyl peroxide detectable under physiological conditions in orthopaedic cement? Int J Nano Biomater 10:34–49. https://doi.org/10.1504/IJNBM.2021.114692

    Article  Google Scholar 

  55. Taningher M, Pasquini R, Bonatti S (1993) Genotoxicity analysis of N,N-dimethylaniline and N,N-dimethyl-p-toluidine. Environ Mol Mutagen 21:349–356. https://doi.org/10.1002/em.2850210406

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  56. Trap B, Wolff P, Jensen JS (1992) Acrylic bone cements: residuals and extractability of methacrylate monomers and aromatic amines. J Appl Biomater 3:51–57. https://doi.org/10.1002/jab.770030109

    Article  Google Scholar 

  57. Trommsdorff VE, Köhle H, Lagally P (1948) Zur polymerisation des methacrylsäuremethylesters. Makromol Chem 1(3):169–198. https://doi.org/10.1002/macp.1948.020010301

    Article  CAS  Google Scholar 

  58. van de Belt H, Neut D, Schenk W, van Horn JR, van der Mei HC, Busscher HJ (2000) Gentamicin release from polymethylmethacrylate bone cements and Staphylococcus aureus biofilm formation. Acta Orthop Scand 71:625–629. https://doi.org/10.1080/000164700317362280

    Article  PubMed  Google Scholar 

  59. Wahlig H, Buchholz HW (1972) Experimentelle und klinische Untersuchungen zur Freisetzung von Gentamycin aus einem Knochenzement. Chirurg 43:441–445

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  60. Wahlig H, Dingeldein E, Buchholz HW, Buchholz M, Bachmann F (1984) Pharmacokinetic study of gentamicin-loaded cement in total hip replacements. Comparative effects of varying dosage. J Bone Joint Surg Br 66(2):175–179. https://doi.org/10.1302/0301-620X.66B2.6707051

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  61. Wang JS, Franzén H, Jonsson E, Lidgren L (1993) Porosity of bone cement reduced by mixing and collecting under vacuum. Acta Orthop Scand 64:143–146. https://doi.org/10.3109/17453679308994555

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  62. Willert H‑G, Puls P (1972) Die Reaktion des Knochens auf Knochenzement bei der Allo-Arthroplastik der Hüfte. Arch Orthop Unfallchir 72:33–71. https://doi.org/10.1007/BF00415858

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  63. Willert H‑G, Buchhorn G (Hrsg) (1987) Knochenzement. Werkstoff, klin. Erfahrungen, Weiterentwicklungen. Aktuelle Probleme in Chirurgie und Orthopädie Bd. 31. Huber, Bern

    Google Scholar 

  64. Wixson RL, Lautenschlager EP, Novak MA (1987) Vacuum mixing of acrylic bone cement. J Arthroplasty 2:141–149. https://doi.org/10.1016/s0883-5403(87)80021-9

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Heraeus Medical GmbH, Philipp-Reis-Straße 8–13, 61273, Wehrheim, Deutschland

    Christian Paul & Klaus-Dieter Kühn

  2. Universitätsklinik für Orthopädie und Traumatologie, Medizinische Universität Graz, Graz, Österreich

    Klaus-Dieter Kühn

Authors
  1. Christian Paul
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  2. Klaus-Dieter Kühn
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Correspondence to Christian Paul.

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Interessenkonflikt

C. Paul und K.-D. Kühn sind Mitarbeiter der Heraeus Medical GmbH. K.-D. Kühn erklärt, dass er keinen Interessenskonflikt bezüglich dieses Manuskriptes hat und den Beitrag aus universitären Kenntnissen eingebracht hat.

Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

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Paul, C., Kühn, KD. Chemische und physikalische Eigenschaften von PMMA-Knochenzementen. Orthopädie 52, 943–956 (2023). https://doi.org/10.1007/s00132-023-04445-8

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