Intervertebral Disc Testing

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Intervertebral Disc Testing

The Challenge

Intervertebral Disc

Intervertebral disc replacement is a surgical technique for the treatment of lower back pain related to degenerative disc disease. The advantage of this technique over traditional spinal fusion is that it preserves or restores motion in the spine, and has the potential to delay the onset of degeneration of healthy discs at adjacent levels in the spine. Disc prostheses are designed to be load bearing over the physiological range of disc motion, and to give years of pain-free and trouble-free operation in the body. Understanding the static and dynamic characteristics of a particular device allows manufacturers and designers to ensure their product is proven and accepted. ASTM F2346 provides a methodology for characterizing the static strength and dynamic fatigue behavior of disc prostheses. The rigorous testing regimes in this standard aim to scientifically validate any prosthesis design. With a typical test run lasting for 10 million cycles and requiring both axial and torsional loading, it is vital that a testing system copes with these performance demands and delivers the highest quality of results. In addition, the requirement to conduct these tests in a wet environment adds to the complexity of the system.

Our Solution 

Intervertebral Disc Testing

An 8874 axial-torsional system, with the addition of a temperature controller and re-circulator unit, allows device manufacturers and contract research laboratories to conduct both static and cyclic testing on a range of implant designs. The bath, in which saline flow and temperature are controlled, provides a stable environment. With the use of specialized test fixtures, the 8874 system's combined axial-torsional actuator allows for characterization to be conducted in axial compression, compression-shear, and compression-torsion test modes for both articulating discs of traditional metal-on-metal or metal-on-polyethylene design. It's also used for the next generation of prostheses, which feature an elastomeric component to give axial compliance under load that mimic the biomechanics of the natural disc.

Pruebas de rodilla


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Pruebas de rodilla

El desafío

Articulación de la rodilla

Las prótesis de rodilla se encuentran entre los procedimientos quirúrgicos más importantes a nivel mundial para mejorar la calidad de vida. La fractura por fatiga de las bandejas tibiales de rodilla es uno de los mecanismos de fallo más comúnmente reportados en las prótesis totales de rodilla (PTR). Es causada por la pérdida de soporte óseo subyacente resultante de reacciones biológicas, como la osteólisis inducida por el desgaste. Bajo estas condiciones, la bandeja tibial se vuelve mecánicamente inestable, y la carga cíclica impartida por la marcha normal provoca grietas por fatiga, lo que finalmente conduce a un fallo catastrófico.

Nuestra solución

Ensayo de articulaciones de rodilla

El instrumento de ensayo dinámico totalmente eléctrico ElectroPuls ayuda a diseñadores, fabricantes e investigadores a lo largo del proceso del ciclo de vida del producto, desde la derivación de propiedades fundamentales del material, como la resistencia a la propagación de grietas por fatiga, hasta el ensayo de la bandeja tibial completa y más allá. Utilizamos un dispositivo de sujeción para asegurar una mitad de la bandeja tibial, simulando un cóndilo totalmente soportado. El otro cóndilo no soportado se somete entonces a una carga fisiológicamente representativa. Al utilizar nuestra exclusiva célula de carga Dynacell, se pueden eliminar los errores inerciales dinámicos, como los causados por la fijación y por la hidrodinámica que resulta al realizar ensayos en un baño ambiental. Esto permite una medición más precisa de la carga aplicada a la probeta.

Ensayo de implantes de cadera


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Ensayo de implantes de cadera

El desafío

Implante de cadera

Tras la cirugía, pueden producirse aflojamiento proximal y protección contra tensiones como resultado de la actividad normal, lo que puede dar lugar a perfiles de carga anormales. Por lo tanto, es necesario replicar en el ensayo el entorno real y las cargas que experimentará la muestra mientras se encuentre en el cuerpo. El ensayo de fatiga femoral de cadera puede resultar difícil debido a la importancia de incrustar la muestra con precisión. El dispositivo de fijación debe ser capaz de soportar tensiones de compresión, flexión y torsión para cumplir las normas ISO 7206. Las altas frecuencias de estos ensayos también plantean un desafío, ya que pueden hacer que la muestra se caliente más allá de un límite aceptable.

Nuestra solución

Ensayo de implantes de cadera

Instron® proporciona un dispositivo de incrustación de muestras que garantiza que se alcancen los ángulos de desplazamiento y la profundidad de incrustación requeridos. El dispositivo de fijación resistente a la corrosión, diseñado específicamente para este fin, permite realizar ensayos in vivo. El conjunto incluye un controlador de temperatura y una bomba de recirculación para garantizar que la temperatura nunca supere el límite aceptable mediante la reducción automática de la frecuencia del ensayo. El dispositivo de fijación de fácil instalación incluye un cabezal de carga de baja fricción y adaptadores para montarlo en un sistema ElectroPuls. El software WaveMatrix de Instron permite utilizar varios criterios de finalización del ensayo, como ejecutar un número específico de ciclos o hasta que se detecte el fallo de la muestra, lo que puede determinarse de varias formas. Con un solo paquete puede realizar ensayos con confianza para cumplir y superar los requisitos de las normas ISO 7206-4, 7206-6 y 7206-8.

Bone Screw Testing

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Bone Screw Testing

The  Challenge

Bone Screw

Bone screws are used in surgical procedures for securing implants, osteosynthesis devices, and fracture fixation plates to the skeletal system. In normal clinical use, a surgeon applies combined axial and torsional forces to the bone screw as it is implanted within the body. Manufacturers and scientists test bone screws to determine various mechanical properties when evaluating new materials and designs. The most common standard for testing bone screws is ASTM F534. The standard consists of a total of four testing annexes: axial tests, torsion only tests, or a combination of both linear and torsion tests. ASTM F543-17 Test A1 - Test Method for Determining the Torsional Properties of Metallic Bone Screws requires the screw to be sufficiently clamped and a rotational velocity between 1 and 5 rpm to be applied until specimen failure, and to measure the torque profile and the rotational angle. ASTM F534-17 Test A2 - Test Method for Driving Torque of Medical Bone Screws measures the torque required to insert and remove the screw with a constant rotational velocity between 1 and 5 rpm while maintaining an axial load of no more than 10 N in compression. ASTM F543-17 Test A3 - Test Method for Determining the Axial Pull-Out Strength of Medical Bone Screws measures the force required to axially remove the screw that has been fully inserted in the test block using the method from Test A2. The pull-out fixture then applies a tensile load at a constant rate of 5 mm/min until the failure of the bone screw or removal from the test block. ASTM F543-17 Test A4 - Test Method for Determining the Self-Tapping Performance of Self-Tapping Medical Bone Screws specifies the procedure to evaluate the axial loading required to engage a self-tapping bone screw into a standard laboratory material. Although considered a simple clinical procedure, reproduction of this in vitro results in a relatively complex motion due to the interaction between the rotation and linear axes of a test machine. The test requires a continuous rotational velocity of up to 30 rpm while the axial load is incremented during the insertion at a rate of 2 N/s. The objective of this test is to record the torque profile as the bone screw is inserted into the material and then removed.

Our Solution 

Bone Screw Testing

To perform bone screw testing to ASTM F543, either an electromechanical system with a Torsion Add-On 3.0 , or an ElectroPuls™ Linear-Torsion system can be used. The Torsion Add-On 3.0 can be added to any new or existing 6800 Series single column or dual column table top testing machine to add rotational capabilities. The ElectroPuls E10000 and E3000 Linear-Torsion test systems are all-electric dynamic testing systems that provide a unique linear and torsion actuator system that is capable of synchronized linear and multi-rotation testing, which makes them ideal platforms for performing the full range of tests prescribed by the standard. For both the electromechanical system and ElectroPuls system, a bi-axial Dynacell load cell is mounted to the base of the machine. Using WaveMatrix™ dynamic test software on the ElectroPuls system, a user is able to control both axial and rotational axis in closed-loop control. This gives the user the ability to easily set up the multi-axial tests as a series of steps, and displays the required information as the test proceeds. Special fixtures are used to clamp the material to the biaxial load cell, and a drill chuck is used for the drive bits.

Ensayos de dispositivos de fijación de fracturas


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Ensayos de dispositivos de fijación de fracturas

El desafío

Fijación de fracturas

Las placas de fijación de fracturas se utilizan para inmovilizar huesos que se han fracturado o roto gravemente. Estas placas suelen fabricarse de titanio o acero inoxidable. Ambos materiales presentan propiedades mecánicas similares, incluida la rigidez y la resistencia última a tracción, a las del hueso nativo. Estas placas suelen tener geometrías irregulares y se presentan en una amplia variedad de tamaños para adaptarse a fracturas óseas de distinto tamaño en el cuerpo. Por ejemplo, una placa utilizada para inmovilizar un hueso fracturado en un fémur será muy diferente de la utilizada en un tobillo, un dedo o la mandíbula. La geometría irregular y el rango de tamaños de las placas de fijación de fracturas las convierten en componentes difíciles de ensayar. Además, en la mayoría de los casos, estas placas permanecen en el paciente de por vida y deben ser capaces de soportar el movimiento dinámico del cuerpo durante décadas.

Nuestra solución

Ensayos de dispositivos de fijación de fracturas

Para comprender las propiedades mecánicas de las placas de fijación de fracturas, se requiere una gama de ensayos tanto estáticos como dinámicos. Los ensayos monotónicos de flexión, tracción y compresión son necesarios para comprender el módulo y la resistencia última a tracción. Dada la geometría irregular de las placas de fijación de fracturas, la medición de la deformación es un reto. A menudo se emplean técnicas de modelado 2D y 3D, como el análisis de elementos finitos, para comprender las propiedades de tensión y deformación de campo completo de las placas de fijación de fracturas. Para los ensayos monotónicos de tracción, compresión o flexión, nuestro software de correlación digital de imágenes, junto con nuestro extensómetro de vídeo avanzado, permite a investigadores y científicos visualizar y cuantificar las propiedades de deformación de campo completo de estas placas. Para todos los ensayos de fatiga, recomendamos utilizar nuestros sistemas ElectroPuls. En concreto, recomendamos el sistema de ensayo E3000 o el sistema de ensayo E10000 Linear-Torsions. La capacidad de ensayar placas simultáneamente con carga axial y carga torsional representa mejor las condiciones de carga reales en el cuerpo humano.

Ensayos de implantes espinales


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Ensayos de implantes espinales

El desafío

Ensayos de implantes espinales

Los ensayos de vida útil de las construcciones espinales son fundamentales, ya que el fallo por fatiga es más frecuente que el fallo catastrófico. Durante la actividad normal del paciente, las construcciones espinales pueden estar sometidas a elevadas cargas in vivo, lo que puede dar lugar a un fallo catastrófico. Se realizan ensayos cíclicos para evaluar el número de ciclos necesarios para que se produzca el fallo por fatiga. La carga suele aplicarse con una forma de onda sinusoidal de amplitud constante controlada por carga, que supera los cinco millones de ciclos. También se realizan ensayos estáticos sencillos para evaluar la carga necesaria para provocar una fractura espinal.

Nuestra solución

Ensayos de implantes espinales

Se recomienda el sistema Instron® ElectroPuls de torsión lineal, ya que permite al usuario realizar tanto ensayos estáticos como dinámicos conforme a las normas ASTM F1717-12 en una sola máquina. Se puede montar fácilmente en este sistema un utillaje espinal específico, con la opción de montar un baño de solución salina en la base para ensayos in vivo. Al utilizar el baño, la célula de carga está diseñada para montarse en el actuador mediante la tecnología patentada Dynacell de Instron para la compensación de inercia. El algoritmo patentado de ajuste basado en la rigidez de Instron garantiza una excelente fidelidad de la forma de onda, incluso con probetas no lineales.