Nanokompozyty polimerowo-ceramiczne przeznaczone do zastosowań medycznych

• Autorzy: Rosół P. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Polymer-ceramic nanocomposites for biomedical applications

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy była analiza właściwości mechanicznych, zarówno statycznych (wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga), jak i zmęczeniowych (pełzanie), oraz zbadanie zachowania biologicznego w warunkach in vitro kompozytów polimerowych, przeznaczonych na implanty przenoszące obciążenia mechaniczne. Jako osnowę kompozytów zastosowano biostabilny polisulfon (PSU), a fazami modyfikującymi były bioaktywne nanocząstki hydroksyapatytu naturalnego, otrzymanego z kości zwierzęcych (HAn) oraz pochodzenia syntetycznego (HAs). Trwałość badanych materiałów określono, opierając się na charakterystykach pełzania w warunkach in vitro, a bioaktywność na podstawie obserwacji SEM powierzchni próbek inku-bowanych w sztucznym środowisku biologicznym. Analiza trwałości uzyskana z badań pełzania wskazuje, że polisulfon może bezpiecznie pracować na poziomie 27% wyjściowej wytrzymałości w czasie dopasowanym do zrostu kostnego (6 tygodni). Podobnie w przypadku kompozytu modyfikowanego hydroksyapatytem naturalnym wartość bezpiecznych naprężeń wynosi około 28% jego wytrzymałości wyjściowej, natomiast dla kompozytu modyfikowanego hydroksyapatytem syntetycznym jedynie 13%. Mniejsza trwałość PSU/HAs w warunkach in vitro może być związana ze zmianami stanu granic miedzyfazo-wych: cząstki ceramiczne-polimer na skutek wnikania płynów fizjologicznych do wnętrza próbki. Ponadto, w przypadku tego kompozytu zaobserwowano nierównomierną dystrybucje syntetycznego hydroksyapatytu w osnowie polisulfonowej i tworzenie przez jego cząstki aglomeratów, co wywiera niekorzystny wpływ na właściwości użytkowe materiału. Przeprowadzone badania biologiczne wykazały, że modyfikacja polisulfonu poprzez wprowadzenie do niego nanocząstek hydroksyapa-tytowych nadaje mu cechy bioaktywne oraz że rodzaj hydroksyapatytu ma znaczący wpływ na proces narastania apatytu w warunkach sztucznego środowiska biologicznego.

EN

From the point of view of implant's application in bone-surgery, the most important properties of the material to be considered are: the ability of regeneration of surrounding tissues and the enhanced durability in biological environment. The regeneration function may be assured by the application of bioactive ceramic materials, including primarily the calcium phosphates, bio-glasses as well as glass-ceramics. The realization of biomechanical function requires on one hand the adjustment of Young's moduli of the implant and the surrounding tissue, and on the other, carrying the largest portion of stresses by the implant, according to the type of joint applied. In this work the effects of modifying phases on mechanical and biological properties of polysulfone (PSU) have been examined under in vitro conditions. Hydroxyapatite of nanoparticles both, natural origin (animal bones, Fig. 1) and synthetic have been used as modifying phases. Durability of testing materials was defined basing on creep tests in in vitro conditions (Fig. 5) and bioactivity was based on SEM observations of samples surface incubated in artificial biological environment (Fig. 6). Analysis of durability obtained from creep tests investigations indicated that polysulfone can be safetly worked on level 27% of initial strenght for specific healing times (6 weeks). Similarly, of composite modified by natural hydoxyapatite (PSU/HAn) value of permissible stress is about 28% his initial strenght, whereas for composite modified by synthetic hydroxyapatie (PSU/HAs) is only 13%. Lesser durability PSU/HAs in vitro conditions is possibly connected with change of state composite interfaces: ceramic-polymer particles in effect penetration of physiological liquid into samples. Moreover, in case of this composite, was observed non-uniform distribution of synthetic hydroxyapatite in polysulfone matrix and creating of agglomerate by his particles (Fig. 3), which exert a disadvantageous influence on exploitation properties of material. Biological investigations indicated that modification of polysulfone by introducing hydroxyapatie nanoparticles gives bioactive feature and also type of hydroxyapatite has a meaningful influence on process of growing hydroxyapatite in simulated body fluid.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty polimerowe; hydroksyapatyt; implant; właściwości mechaniczne

EN

polymer composites; hydroxyapatite; implant; mechanical properties

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2006
• Tom: R. 6, nr 1
• Strony: 39--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rosół P.

autor

Chłopek J.

• Akademia Górniczo-Mutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Mano J.F., Sousa R.A., Boesel L.F., Neves N.M., Reis R.L., Bioinert, biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue replacement: state of the art and recent developments, Comp. Sci. Technol. 2004, 64, 789-817.
• [2] Chłopek J., Kompozyty w medycynie, Kompozyty (Composites) 2001, 1, 1, 50-54.
• [3] Chłopek J., Kmita G., Non-metallic composite materials for bone surgery, Engineering Transactions 2003, 51, 2, 3, 307-323.
• [4] Bonfield W., Grynpas M.D., Tully A.E., Bowman J., Abram J., Hydroxyapatite reinforced polyethylene a mechanically compatible implant material for bone replacement, Biomaterials l981, 2, 185.
• [5] Swain R.E., Wang M., Beale B., Bonfield W., HAPEX™ for otologic applications, Biomedical Engineering: Appl. Basis Cornmum 1999 11, 315.
• [6] Abu Bakar M.S., Cheang P., Khor K.A., Mechanical properties of injection molded hydroxyapatite - polyetheretherketone biocomposites, Comp. Sci. Technol. 2003, 63, 421-425.
• [7| Boeree N., Dove J., Cooper J.J., Knowles J., Hastings G.W., Developmant of a degradable composite for orthopaedic use - mechanical evaluation of an hydroxyapatite-polyhydro-xybutyrate composite materials, Biomaterials 1993, 14(10), 793.
• [8] Shikinami Y., Okuno M., Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly L-lactide (PLLA), Part II: practical properties of miniscrews and miniplates, Biomaterials 2001, 22(23), 3197.
• [9] Szaraniec B., Rosół P., Chłopek J., Carbon composite material and polysulfone modified by nano-hydroxyapatite, e-Polymers 030 (2005).
• [10] Rosół P., Chłopek J., Trwałość implantów polimerowo-ceramicznych, Ceramika/Ceramics 2003, 80, 2003, 211--216.
• [11] Chłopek J., Błażewicz M., Szaraniec B., Wpływ sztucznego środowiska biologicznego na właściwości mechaniczne kompozytów węglowo-fosforanowych, Kompozyty (Composites) 2002, 2, 4, 163-166.
• [12] Haberko K., Bućko M., Haberko M., Mozgawa W., Pyda A., Zarębski J., Hydroksyapatyt naturalny - preparatyka, właściwości, Inż. Biomateriałów 2003, VI, 30-33, 32-38.
• [13] Wilczyński A.P., Mechanika polimerów w praktyce konstrukcyjnej, Warszawa 1984.
• [14] Cieślik T., Pogorzelska-Stronczak B., Kliniczna ocena płytek i śrub z materiału złożonego węgiel-węgiel stosowanych do zespolenia złamanej żuchwy, Czas. Stomatol. 1996, XLIX, 559-562.