UHMWPE

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Kurzfassung SPT:
Man durchsticht eine kleine, runde, flache Probe und misst die Kraft, die man dafür braucht.

Etwas genauer mit Bezug auf UHMWPE:
Das Standardmessverfahren für die Ermittlung mechanischer Größen ist der Zugversuch. Hierbei wird ein Probekörper einer Länge von ca. 150 mm (DIN 527-2) einer einfachen Zugbelastung ausgesetzt. Um auch von kleineren Teilen, wie z. B. Hüftpfannen, Materialwerte ermitteln zu können, wurde von Kurtz et. al. der sog. „Small-Punch-Test“ entwickelt. Dabei fährt ein halbkugelförmiger Stempel mit 0,5 mm/min gegen eine 0,5 mm dicke UHMWPE Scheibe von einem Durchmesser von 6,4 mm. Aufgenommen wird die Kraft als Funktion des Weges. Charakterisiert wird die jeweilige Probe u. a. durch folgende Bereiche: Zunächst ergibt sich das erste Maximum, bis zu dem die Probe im wesentlichen nur deformiert wird. Sofern die Probe nach diesem ersten Maximum nicht versagt, kann es zu einer „drawing phase“, also zu einer Orientierung der amorphen Bereiche kommen, was zu einem zweiten Maximum führt. Bei oder nach diesem zweitem Maximum reißt die Probe, was schließlich die Reißkraft und -dehnung ergibt („ultimate load und displacement“). Die Fläche unter dieser Kurve ergibt die Brucharbeit („work to failure“), die als Maß für die Zähigkeit („toughness“) angesehen wird.
Neben dem Vorteil des kleineren Prüfköpers im Vergleich zum Standardzugversuch ist positiv, dass die Belastung multiaxial ist, was den realen Bedingungen näher kommt.
Wie zuvor erwähnt, existieren zwar Ansätze, die mechanische Festigkeit in eine Beziehung zu der Abriebbeständigkeit zu setzen, doch ist bislang keine einfache Korrelation gefunden worden. Es existiert die Annahme, dass sich der Abrieb proportional zum Umkehrbruch des Produktes aus maximaler Spannung und Dehnung verhalte. Dieses Verhalten sei auch bekannt unter der Bezeichnung „Ratner-Lancaster“-Korrelation. Weiterhing gibt es Überlegungen, dass das Produkt aus maximaler Spannung und Dehnung proportional zur Fläche unter der Spannungs-Dehnungskurve ist und somit ein Maß für die geleistete Brucharbeit darstellt. Dies würde der von Kurtz bezeichneten „work to failure“ entsprechen.
In umfangreichen Untersuchungen von mehreren modifizierten UHMWPEs im Small-Punch-Test zeigen Kurtz et al., dass diese zu jeweils typischen und reproduzierbaren Kraft-Weg-Verläufen führen. Untersucht wurden dabei gealterte Proben (shelf aging und beschleunigte Alterung), chemisch und durch Bestrahlung vernetzte, Material sowohl aus Hüftsimulatorstudien als auch aus Revisionen. Direkte Aussagen der Art, dass z. B. ein hohes erstes Maximum generell mit geringem Verschleiß einhergeht, lassen sich leider nicht treffen. Die Zusammenhänge sind, sofern gegeben, komplexerer Natur. So führt z. B. eine Vernetzung, welche nahezu unumstritten den Abrieb verkleinert, auch zu einer Verringerung der Dehnfähigkeit. Umgekehrt heißt dies aber nicht, dass eine reduzierte Dehnfähigkeit per se einen geringen Abrieb begünstigt. Denn Oxidation in Folge von Alterung führt auch zu einer Verringerung der Dehnfähigkeit, sicherlich jedoch nicht zu einer Abriebverringerung.

Standard UHMWPE, 27 kGy sterilisiert, künstlich gealtert

UHMWPE mit Vitamin E, 100 kGy, künstlich gealtert