Charakterystyka mechaniczna wielofunkcyjnej resorbowalnej płytki kompozytowej do zespoleń kostnych

• Autorzy: Gryń K. , Szaraniec B. , Morawska-Chochół A. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Mechanical characterization of multifunctional resorbable composite plate for osteosynthesis

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono badania mechaniczne prototypowego wszczepu do zespoleń kostnych w postaci resorbowalnej wielofunkcyjnej czterootworowej płytki w kształcie litery I. Testy dotyczyły gotowych implantów w symulowanych warunkach pracy, a nie normatywnych próbek (wiosło, belka) dlatego przygotowano odpowiedni modelowy schemat badawczy implantu. Składał się on z dwóch bloczków imitujących odłamy kostne, połączonych za pomocą badanej płytki, który był poddawany testom mechanicznym w izolowanych stanach naprężeniowo-odkształceniowych (jednoosiowe rozciąganie, trójpunktowe i jednostronne zginanie). Badano płytki wykonane z dwóch odmian polimeru resorbowalnego (poli-L-laktydu) oraz dwa rodzaje kompozytu, w których osnowę stanowiła jedna z odmian polimeru, a fazą modyfikującą była mieszanina mikrometrycznego proszku ortofosforanu trójwapnia i nanometrycznego hydroksyapatytu. Badano także wpływ geometrii płytek na charakterystyki mechaniczne. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono wyraźny wpływ dodatków ceramicznych na zmianę parametrów wytrzymałościowych płytek wykonanych z różnych materiałów. W przypadku polilaktydu z dopuszczeniem medycznym zaobserwowano spadek wytrzymałości przy jednoczesnym podniesieniu modułu Younga E. Ponadto geometria implantu, czyli w badanym przypadku lokalizacja żeberka wzmacniającego, wpływała na uzyskane wyniki. Lepszymi parametrami cechowały się płytki z żeberkiem wzmacniającym na górnej stronie płytki. Ponadto podczas testów zginania stwierdzono, że przy tego rodzaju geometrii płytki pęknięcie lokalizuje się poza przekrojem krytycznym, a więc taka konstrukcja jest bardziej bezpieczna. Z grupy przebadanych prototypów, jako najlepsze, wybrano płytki kompozytowe PL38/TCP/HAp, wykonane z poli-L-laktydu medycznego, modyfikowanego mieszaniną proszków ceramicznych z żeberkiem wzmacniającym na powierzchni górnej. Mogą one znaleźć zastosowanie w osteosyntezie, w miejscach które nie są narażone na zbyt duże obciążenia mechaniczne. Do tej grupy zaliczyć można kości w obrębie twarzoczaszki oraz kości krótkie ręki. Zaleca się przy tym zastosowanie usztywniających opatrunków zewnętrznych.

EN

The article presents the mechanical properties of prototype multifunctional four-hole, I-shaped plate made of resorbable composite and used for osteosynthesis. Multiple tests were conducted on ready-to-use implants and run in simulated real-working conditions. A special customized test stand was constructed for the sake of this research. The model of the osteosynthesis consisted of two rectangular pieces of plexiglas joined together by means of the tested plate. Durability of the physical model was mechanically assessed in static uniaxial tensile, three-point bending, one-side bending tests. Two types of resorbable polymers (poly-L-lactide) and two types of composites based on these polymers were considered. The composites were modified with a combination of two types of bioceramic: micrometric tricalcium phosphate and nanometric hydroxyapatite. The relation between the geometry of the plate and its mechanical characteristics was also investigated for all the tested materials. The test results proved that incorporation of bioceramic modifiers into the polylactide matrix influences the mechanical behaviour of the tested bone plates. The composite based on FDA approved polylactide (PL38) revealed the strength decrease while the Young modulus increased at the same time. The mechanical parameters were also dependent on the geometry of the plate (localization of a stiffening rib). Better results were obtained for the plates with a stiffening rib located on the upper side of the plate. What is more, the three-point-bending test revealed that in such a case the crack line moved away from the critical cross section, making such a plate more reliable. The best parameters were achieved for the three- -component plates (PL38/TCP/Hap) with a stiffening rib on the upper side. They can be potentially applied for osteosynthesis of the bones submitted with rather low loads, e.g. craniofacial bones, metacarpal bones or phalanges. An external stiff stabilisation (a plaster cast) is recommended as an additional support and prevention.

Słowa kluczowe

PL

osteosynteza; zespolenie kostne; płytki zespalające; płytki kompozytowe; płytki wielofunkcyjne; polimer resorbowalny; polilaktyd; hydroksyapatyt; fosforan wapnia; własności mechaniczne; parametry wytrzymałościowe

EN

osteosynthesis; bone plate; composite plates; multifunctional plates; resorbable plates; poly-lactide; hydroxyapatite; tricalcium phosphate; mechanical characterisation; durability

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 133
• Strony: 22--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Gryń K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Szaraniec B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Morawska-Chochół A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Chłopek J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Mow V.C., Huiskes R. eds.: Basic orthopaedic biomechanics & mechano-biology. Lippincott Williams & Wilkins, 2005.
• [2] Bouloux G.F., Chen S., Threadgill J.M.: Small and large titanium plates are equally effective for treating mandible fracture. J Oral Maxillofac Surg 70 (2012) 1613-21.
• [3] Uhthoff H.K., Poitras P., Backman D.S.: Internal plate fixation of fractures: short history and recent developments. J Orthop Sci 11 (2006) 118-126.
• [4] French H.G., Cook S.D., Haddad R.J.: Correlation of tissue reaction to corrosion in osteosynthetic devices. J Biomed Mater Res 18 (1984) 813-828.
• [5] Park K.T., Lee K.B.: Extensive metallosis caused by plate and screw construct for distal fibular fracture - a case report. Journal of the Korean Fracture Society 26 (2013) 147-150.
• [6] Edelstein Y., Ohm H., Rosen Y.: “Metallosis and pseudotumor after failed ORIF of a humeral fracture. Bulletin of the NYU Hospital for Joint Diseases 69 (2011) 188-191.
• [7] Kang R., Stern P.J.: Humeral nonunion associated with metallosis secondary to use of a titanium flexible humeral intramedullary nail: a case report. J Bone Joint Surg [Am] 84 (2002) 2266-2269.
• [8] Keegan G.M., Learmonth I.D., Case C.P.: Orthopaedic metals and their potential toxicity in the arthroplasty patient. J Bone Joint Surg [Br] 89B (2007) 567-573.
• [9] Hallab N., Merritt K., Jacobs J.J.: Metal Sensitivity in Patients with Orthopaedic Implants. J Bone Joint Surg [Am] 83 (2001) 428.
• [10] Frost H.M.: Wolff’s Law and bone’s structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians. Angle Orthod. 64 (1994) 175-188.
• [11] Kramp B., Bernd H.E., Schumacher W.A., Blynow M., Schmidt W., Kunze C., Behrend D., Schmitz K.P.: Poly-beta-hydroxybutyric acid (PHB) films and plates in defect covering of the osseus skull in a rabbit model. Laryngorhinootologie 81 (2002) 351-356.
• [12] Nair L.S., Cato T.L.: Biodegradable polymers as biomaterials. Progress in Polymer Science 32 (2007) 762-798.
• [13] Morawska-Chochół A., Jaworska J., Chłopek J., Kasperczyk J., Dobrzyński P., Paluszkiewicz C., Bajor G.: Degradation of poly(lactide-co-glycolide) and its composites with carbon fibres and hydroxyapatite in rabbit femoral bone. Polymer Degradation and Stability 96 (2011) 719-726.
• [14] Szaraniec B.: Durability of biodegradable internal fixation plates. Materials Science Forum 730-732 (2013) 15-19.
• [15] Bartkowiak-Jowsa M., Kwiatkowska A., Będziński R., Pezowicz C., Filipiak J., Szaraniec B., Chłopek J.: Mechanical properties and dynamics of degradation of polylactide matrix composites with calcium and sodium alginate fibers. Journal of Composite Materiale 48 (2014) 815-824.
• [16] Morawska-Chochół A., Domalik-Pyzik P., Chłopek J., Szaraniec B., Sterna J., Rzewuska M., Boguń M., Kucharski R., Mielczarek P.: Gentamicin release from biodegradable poly-L-lactide based composites for novel intramedullary nails. Materials Science and Engineering C, Biomimetic Materials, Sensors and Systems 45 (2014) 15-20.
• [17] Szaraniec B., Gryń K., Szponder T., Żylińska B.: Biodegradable fixation plates for veterinary medicine. Engineering of Biomaterials 125 (2014) 30-36.
• [18] Yuehuei A.H., Draughn R.A.: Mechanical Testing of Bone and the Bone-Implant Interface. CRC Press LLC 2000 ISBN 0-8493-0266-8.