Właściwości mechaniczne stabilizatorów zewnętrznych "Carboelastofix" z kompozytów polimerowowęglowych do zespalania kości

• Autorzy: Ambroziak M. , Herman J. , Szatkowski P. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Mechanical properties of polymer-carbon composite external stabilizers "Carboelastofix" for bone fixation

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Zrost pourazowy kości zależy od wielu czynników. Jednym z najważniejszych jest uzyskanie izoelastycznego zespolenia, którego sztywność będzie zmniejszać się w miarę postępu gojenia, i które umożliwi niewielkie ruchy poosiowe w szczelinie złamania, stymulując tym samym tworzenie kostniny. Zespolenie to powinno eliminować ruchy skrętne i kątowe utrudniające zrost kostny. W artykule opisano badania nad innowacyjnym podejściem do stabilizatorów kości. Zaproponowano dwa stabilizatory węglowe (różniące się kształtem przekroju) zastępujące obecnie stosowanie stabilizatory metalowe, które składały się z płytek węglowych zespolonych razem śrubami do uszkodzonej kości. Zbadano właściwości mechaniczne stabilizatorów. Materiał kompozytowy włókno węglowe-żywica epoksydowa okazał się materiałem, którego sztywność umożliwia mikroruchy w szczelinie złamania w zakresie bezpiecznego zrostu kostnego. Niewątpliwą zaletą stabilizatorów z laminatów węglowych jest ich niska waga oraz estetyczny wygląd. Sztywność tych układów podlega regulacji poprzez odejmowanie płytek węglowych, co pozwala na sterowanie sztywnością zespolenia w funkcji czasu i tym samym stwarza możliwość leczenia czynnościowego. Badania statyczne udowodniły, że mniejszą elastyczność zespolenia wykazuje stabilizator Carboelastofix2 o konstrukcji przestrzennej, natomiast mikroruchy w szczelinie międzyodłamowej występują podczas statycznych badań rozciągania zarówno w stabilizatorze z płytkami namiotowymi, jak i przestrzennymi. Badania mechaniczne obu konstrukcji stabilizatora przeprowadzone w ramach tej pracy wraz badaniami klinicznymi przeprowadzonymi w Katedrze i Klinice Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu w Warszawie potwierdzają skuteczność leczenia złamań kości z wykorzystaniem konstrukcji stabilizatora Carboelastofix.

EN

Traumatic bone fixation depends on many factors. One of the most important is to achieve izoelastic fusion, which stiffness will decrease with the progress of healing, and which allows small axial movement in the fracture gap, thereby stimulating the formation of callus. This fusion should eliminate torsional and angular movements, which hinder bone fixation. Two composite carbon stabilizers (different cross-sectional shape) replacing currently used metal stabilizers, which consisted of carbon composite plates and screws enabling fixation into the damaged bone were proposed. Mechanical properties of the stabilizers were tested. A composite material consisting of carbon fiber and epoxy resin exhibits stiffness allowing the micro-movements in the gap fracture in terms of safe bone union. An important advantage of the carbon stabilizers is their low weight and aesthetic appearance. The stiffness of the system is regulated by subtracting the carbon plates, thereby controlling the stiffness of fixation as a function of time and thus providing the possibility of functional treatment. Static tests demonstrated that the Carboelastofix2 - stabilizer with spatial structure has lower fusion flexibility, while micro-movements in the gap between bone fragments occur during the static tensile test in both stabilizers – tent-shaped plates and spatial plates. Mechanical tests of both stabilizers presented in this work, including clinical studies conducted in the Chair and Department of Orthopedics and Traumatology of Locomotor System in Warsaw confirm the efficiency of the treatment of bone fractures with the use of Carboelastofix stabilizer.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały; stabilizatory kości; kompozyty węglowe; ortopedia

EN

bone stabilizer; biomaterials; carbon composite; regeneration; orthopaedic

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 19, no. 137
• Strony: 30--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr., tab., zdj.

Twórcy

autor

Ambroziak M.

• Katedra i Klinika Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Lindleya 4, 02-005 Warszawa

autor

Herman J.

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

autor

Szatkowski P.

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

autor

Chłopek J.

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

Bibliografia

• [1] C.M. Courtbrown, J. Mcbirnie: The epidemiology of tibial fractures. Journal of Bone and Joint Surgery 77 (1995) 417-421.
• [2] S.H. Teoh: Fatigue of biomaterials: a review. International Journal of Fatigue 22 (2000) 825-837.
• [3] H.K. Uhthoff, M. Finnegan: The effects of metal plates on post-traumatic remodelling and bone mass. Journal of Bone and Joint Surgery 65 (1983) 66-71.
• [4] B.J. Moyen, P.J. Lahey, E.H. Weinberg, C. Rumelhart, W.H. Harris: Effects of application of metal plates to bone. Comparison of a rigid with a flexible plate. Acta Orthopædica Belgica 46 (1980) 806-815.
• [5] S. Czyrny: Krytyczna ocena wyników leczenia postrzałowych złamań kości długich z propozycją leczenia bezgipsowego. Rozprawa na stopień doktora nauk medycznych. Warszawa, 1975
• [6] S. Ramakrishna, J. Mayer, E. Wintermantel, K.W. Leong: Biomedical applications of polymer-composite materials: a review. Composites Science and Technology 6 (2001) 1189-1224.
• [7] K. Fujihara, K. Teo, R. Gopal, P.L. Loh, V.K. Ganesh, S. Ramakrishna: Fibrous composite materials in dentistry and orthopaedics: review and applications. Composites Science and Technology 64 (2004) 775-788.
• [8] M. Nałęcz: Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, Tom 5, Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa 2004
• [9] R. Będziński: Biomechanika Inżynierska – zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1997
• [10] J. Filipiak, L. Morasiewicz: Assessment of the effect of hybrid implant systems in the Ilizarov fixator on the stability of fragments of the femur subjected to elongation. Acta of Bioengineering and Biomechanics 3(1) (2001) 15-24
• [11] D. Lacroix, P.J. Prendergast: A mechano-regulation model for tissue differentiation during fracture healing: analysis of gap size and loading. Journal of Biomechanics 35 (2002) 1163-1171.
• [12] J. Chłopek, G. Kmita: Non-metallic composite materials for bone surgeryEngineering Transactions 51(2-3) (2003) 307-323.
• [13] D.S. Son, H. Mehboob, S.H. Chang: Simulation of the bone healing process of fractured long bones applied with a composite bone plate with consideration of the blood vessel growth. Compos Part B-Eng 58 (2014) 443-450.
• [14] A. Śliwiński: Ultradźwięki i ich zastosowanie. WNT, Warszawa 2001
• [15] R. Będziński: Mechanika techniczna, Biomechanika, Tom XII, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, 2011
• [16] M.F. Ashby: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998
• [17] S. Wolf, A. Janousek, J. Pfeil, W. Veith, F. Haas, G. Duda, L. Claesa: The effects of external mechanical stimulation on the healing of diaphyseal osteotomies fked by flexible external fixation. Clinical Biomechanics 13 (1998) 359-364.
• [18] P. Augat, K. Margevicus, J. Simon, S. Wolf, G. Suger, I. Claes: Local tissue properties in bone healing. Influence Size and Stability of the Osteotomy Gap. Journal of Orthopaedic Research 16 (1998) 479-481.
• [19] D.R. Carter, G.S. Beaupre, N.J. Giori, J.A. Helms: Mechanobiology of skeletal regeneration. Clinical Orthopaedics and Related Research 355 (1998) 41-55.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).