Propiedades de los cementos óseos

2.5.4.1. Propiedades mecánicas

Los implantes cementados tienen dos interfases: una cemento/hueso y otra cemento/implante. El cemento actúa como una intercara elástica entre dos materiales rígido, por lo que además de encargarse de la fijación y unión de la prótesis al hueso, tiene una importante función a la hora de transmitir las cargas entre el hueso y el implante; es debido a esto por lo que sus propiedades mecánicas son un factor importante para garantizar la estabilidad mecánica [22]. El módulo de Young de un cemento óseo se encuentra en torno a 2 GPa; en cambio, dicho módulo de elasticidad en un hueso sano, se encuentra entre 15 y 20 GPa, y el del metal del implante es aproximadamente de 220 GPa. Las fuerzas transmitidas son generalmente fuerzas de comprensión y en algunos casos esfuerzos cortantes. Un inconveniente es que el PMMA es un material frágil y sensible a la fractura.

No obstante, hay que tener en cuenta que el cemento es menos frágil en vivo que en las pruebas realizadas en laboratorio [17], debido a que en vivo, el cemento introducido en el

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cuerpo se satura de agua disminuyendo su temperatura de transición vítrea (Tg) y sufriendo un efecto plastificante que reduce su fragilidad.

Por lo que el éxito de un implante cementado depende de la técnica quirúrgica, del diseño del implante y de las propiedades del cemento

2.5.4.2. Porosidad

La porosidad de los cementos óseos es un factor muy estudiado debido a la considerable influencia que tiene en sus propiedades. Se ha comprobado que una elevada porosidad disminuye las propiedades mecánicas y la resistencia a fatiga del material, actuando de centros de concentración de tensiones y de iniciación de grietas. Muchos investigadores han demostrado que una reducida porosidad permite la mejora de las propiedades de compresión, flexión y fatiga de los cementos acrílicos [23,21].

La porosidad puede ser beneficiosa para reducir las tensiones residuales anteriores a la carga, sin embargo estos beneficios pueden ser superados por los efectos adversos observados, como son la iniciación de grietas por fatiga y la propagación de las mismas.

Lewis identificó las cuatro razones principales por la que la porosidad aparecía en los cementos óseos [23]:

- El atrapamiento del aire entre el polvo del polímero y el monómero líquido, mientras el polvo es mojado por el monómero durante la mezcla.

- La evaporación del monómero líquido durante la polimerización. - El atrapamiento de aire durante la mezcla.

- El atrapamiento de aire durante la transferencia de la masa a la pistola de aplicación del cemento (esto depende del método de mezcla y aplicación que se emplee).

2.5.4.3. Propiedades térmicas

La polimerización del PMMA y con ello, el curado del cemento, constituyen una reacción altamente exotérmica como ya se ha comentado anteriormente. Esta reacción libera 52 KJ/mol de monómero, lo que equivale a una producción de calor de entre 1,4 y 1,7 · 108 _J/m3 _de

cemento [24].

La temperatura máxima que se puede alcanzar durante la polimerización se encuentra entre 70ºC y 120ºC. No obstante la temperatura que se alcanza en la intercara del cemento óseo depende, además de la cantidad de calor producido por el cemento, de la velocidad a la que se produce el calor, de la conductividad térmica del cemento, del hueso y de la prótesis, y de las condiciones iniciales del sistema hueso-cemento-prótesis, incluyendo la temperatura ambiente y la preparación del cemento [25].

La desnaturalización del colágeno se produce con exposiciones prolongadas a 56˚C, por lo que las altas temperaturas alcanzadas durante el curado del cemento pueden causar daño

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Capítulo II. Pág. 29 térmico al hueso y producir la necrosis térmica; es por ello que numeroso autores han centrado sus estudios en mejorar las propiedades térmicas [26,27,28].

2.5.4.4. Influencia de los componentes básicos en las propiedades del cemento

Las propiedades del cemento (su temperatura de polimerización, el tiempo de curado o sus características mecánicas) son factores que dependen en gran medida de la composición y formulación del mismo [29].

Una relación alta entre el liquido y el polvo (L/P) disminuye la resistencia final del cemento [30], pero por otro lado, esta alta relación L/P disminuye el tiempo de curado y aumenta los picos de temperatura alcanzados durante el mismo. Esto es debido a que altos ratios L/P dan lugar a una abundancia de monómeros reactivos que reaccionan de manera exotérmica incrementando la temperatura durante la polimerización. Además, esta elevada relación L/P hace que la concentración del iniciador (componente que se encuentra en el polvo) sea menor, de forma que la reacción de activación de los monómeros se produce más despacio disminuyendo el tiempo de curado [31, 32].

La concentración de iniciador (BPO) y acelerador (DMpT) también afectan a la temperatura de polimerización y a la resistencia del material, siendo importante encontrar una relación óptima ya que una mayor concentración de estos produce un aumento en la resistencia pero también una disminución del tiempo de curado e importantes incrementos en la temperatura de polimerización [33]. Esto es debido a que la formación de radicales libres está directamente relacionada con la concentración del iniciador y del activador: si rápidamente se producen muchos radicales libres, la reacción de polimerización será más rápida, pero también al crearse más especies reactivas la temperatura aumentará. Por otro lado, más puntos de nucleación implica la formación de más cadenas individuales de polímero de forma simultánea, lo que reduce el peso molecular de las cadenas de polímero afectando a las propiedades mecánicas del cemento [34].

Por último, y en relación con la cantidad de radiopaco que contiene el cemento se han encontrado efectos contrarios en relación con la mejora de las propiedades a fatiga y las propiedades mecánicas del material. Estudios realizados con diferentes proporciones de BaSO4 han demostrado, que en función del tamaño y morfología de las partículas, éstas

pueden tener un efecto positivo en la resistencia a fatiga del cemento, actuando como partículas amortiguadoras en la propagación de las grietas [23]. Por otro lado, estudios paralelos han comprobado cómo a su vez, esta adicción de BaSO4 puede tener un efecto negativo en la resistencia a flexión y a impacto del material [35], probablemente, debido a una unión limitada de las partículas con la matriz polimérica de acogida, incluso se ha observado que grandes aglomeraciones de BaSO4 actúan como lugares de iniciación de grietas [36].

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Figura 2-12: Superficie de un cemento óseo tomada mediante SEM, donde se pueden apreciar las esferas de

PMMA y las acumulaciones de BaSO4.