Evaluation of quasi-static and fatigue properties of cement-bone bonded joints under pure-mode I and II loading: numerical and experimental characterization

Abstract

Bone is a material with a complex, anisotropic, hierarchical and heterogeneous microstructure, which gives it a remarkable mechanical performance. However, as it is sometimes exposed to very adverse demands resulting from the interaction with the environment, it tends to develop damage, culminating in fracture. Fractures in long bones sometimes result from fatigue loads during numerous daily activities. These fractures reduce the quality of life of human beings and entail high costs for the health system. Over the years, techniques have been developed that have allowed for the stabilization of bone fractures. Currently, metal osteosynthesis plates are widely used to repair fractures, despite being a very invasive technique that depends on the stability of the fixation and the plate-bone-screw interfaces. To innovate and improve the treatment systems for complex fractures of the long bones of the human body, the BoFraPla project emerged, which proposes to develop a system for anchoring bone aggregates through a fibrous system, ensuring immobilization and alignment of bone segments, providing adequate vascularization of damaged tissues. One of the development phases of this innovative biomedical system consists of studying the connection of the bone to bone cement, necessary for the fixation of the fibrous system. For this purpose, within the scope of the activities of this project, the present dissertation aims at the mechanical, experimental and numerical characterization of the connection of cortical bone to polymethylmethacrylate (PMMA) cement composition. In this sense, samples of bonded joint (bone-cement) were manufactured with DCB configurations for pure mode I and ENF for pure mode II. These specimens were later submitted to static fracture and fatigue tests to evaluate fracture properties in those failure modes and fatigue parameters that enable their characterization in this demand mode. The experimental results thus obtained were later used in cohesive damage initiation and propagation models using the Finite Element Method. Finally, it was possible to validate the tests carried out to determine the adequate specimen dimensions, to predict the mechanical behaviour of bone fracture reinforcement systems using bone cement, i.e., the validation of the developed protocol.

O osso é um material com uma microestrutura complexa, anisotrópica, hierárquica e heterogénea, que lhe confere um notável desempenho mecânico. Contudo, como por vezes está exposto a solicitações muito adversas, decorrentes da interação com o ambiente, tende a desenvolver dano, podendo culminar na fratura. As fraturas em ossos longos resultam por vezes de carregamentos de fadiga durante inúmeras atividades diárias. Estas fraturas diminuem a qualidade de vida do ser humano e acarretam elevados custos para o sistema de saúde. Ao longo dos anos, foram desenvolvidas técnicas que permitiram a estabilização de fraturas ósseas. Atualmente, as placas metálicas de osteossíntese são muito usadas para a reparação de fraturas, apesar de ser uma técnica bastante invasiva que depende da estabilidade da fixação e das interfaces placa-osso-parafuso. No sentido de inovar e melhorar os sistemas de tratamento de fraturas complexas dos ossos longos do corpo humano, surgiu o projeto BoFraPla, que se propõe desenvolver um sistema de ancoragem de agregados ósseos, através de um de um sistema fibroso, assegurando a imobilização e alinhamento dos segmentos ósseos, proporcionando a adequada vascularização dos tecidos danificados. Uma das fases de desenvolvimento deste sistema biomédico de cariz inovador consiste em estudar a ligação do osso a um cemento ósseo, necessário à fixação do sistema fibroso. Para o efeito, no âmbito das atividades deste projeto surge a presente dissertação que tem como objetivo a caracterização mecânica, experimental e numérica, da ligação de osso cortical a uma composição de cimento polimetilmetacrilato (PMMA). Nesse sentido, foram fabricados provetes de junta colada (osso-cimento) com configurações DCB para puro modo I e ENF para puro modo II. Estes provetes foram posteriormente submetidos a ensaios de fratura estática e de fadiga para avaliar propriedades de fratura naqueles modos de rotura, bem como parâmetros de fadiga que possibilitem a sua caracterização nesse modo de solicitação. Os resultados experimentais assim obtidos foram posteriormente usados em modelos de iniciação e de propagação do dano coesivo através do Método dos Elementos Finitos. Por fim, foi possível validar os ensaios realizados, determinar as dimensões de provetes mais adequadas, tendo em vista a previsão do comportamento mecânico de sistemas de reforço de fraturas ósseas com recurso a cimento ósseo, i.e., a validação do protocolo desenvolvido.