Badania właściwości tribologicznych resorbowalnych biomateriałów na bazie polilaktydu

• Autorzy: Karalus W. , Szaraniec B. , Gryń K. , Chłopek J. , Dąbrowski J. R. , Jałbrzykowski M. , Szymaniuk E.

Warianty tytułu

EN

Tribological properties of resorbable polylactide-based biomaterials

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem pracy było przeprowadzenie badań tribologicznych i ocena zużycia biokompozytów polimerowych. Do badań przygotowano trzy rodzaje kompozytów z polilaktydu modyfikowanego dodatkami w postaci: włókien węglowych, fosforanu trójwapnia oraz hydroksyapatytu. Ich zachowanie w warunkach tarciowych porównywano z próbkami referencyjnymi (PLA). Badania tribologiczne realizowano w warunkach tarcia suchego oraz w obecności smaru – soli fizjologicznej (roztwór wodny 0,9% NaCl). Na podstawie badań stwierdzono, że wprowadzenie modyfikatorów ceramicznych do osnowy polilaktydowej poprawiło charakterystyki tribologiczne, zaś dodatek włókien węglowych wpłynął najkorzystniej na obniżenie współczynnika tarcia (μ). Stwierdzono istotny wpływ środka smarnego. O ile w obecności smaru wartości μ dla wszystkich badanych materiałów obniżyły się, to zużycie - wyznaczone na podstawie zmian masy - zmniejszyło się tylko dla czystego polilaktydu oraz polilaktydu modyfikowanego włóknem węglowym. W przypadku kompozytów z fosforanem trójwapniowym i hydroksyapatytem zarejestrowano intensyfikację zużycia. Uzupełnieniem przeprowadzonych badań były obserwacje powierzchni testowanych próbek przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM). Niezależnie od warunków (ze smarem czy też bez) najmniejszą odpornością na zużycie tarciowe cechował się czysty polilaktyd. Kompozyty z dodatkami ceramicznymi wykazywały wyraźne ślady zużycia, zaś obserwacje powierzchni kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi ujawniły, że zewnętrzne warstwy poddawane oddziaływaniu tarcia narażone są na fragmentacje włókien węglowych. Zjawisko to może mieć niekorzystny wpływ na możliwość aplikacji takich materiałów w warunkach pracy, w których są narażone na ścieranie.

EN

The objective of this study was the observation and evaluation of tribological characteristics and behavior of biocomposites with polymer matrix under different friction conditions. Three types of polylactide composites were considered: with addition of carbon fibers (CF), tricalcium phosphate (TCP) and hydroxyapatite (HAP). As a reference pure polylactide (PLA) samples were prepared. Tribological tests were conducted under dry friction conditions and in the presence of a lubricant – physiological saline (0.9% NaCl aqueous solution). The results clearly show that introduction of ceramic modifiers to the polylactide matrix enhanced tribological resistance of the composite and carbon fibers addition reduced the value of friction coefficient (μ). It was observed that when the lubricant was present lower values of μ were recorded for all composites but when the wear process was analyzed it was revealed that the loss of mass was reduced only for pure PLA and PLA modified with carbon fibers. For ceramic modified composites the wear processes were more intense. Scanning electron microscopy was used for surface observations of tested samples. Regardless of friction conditions (with or without lubricant) pure polylactide samples, as the softest, wear the most. When surface of composites with ceramic additives were analyzed the biggest grooves and hollows ware observed. Samples with CF exposed to friction conditions reveal inclination to fibers fragmentation, thus application of such composites in kinematic joints in biomedical devices is limited.

Słowa kluczowe

PL

trybologia; kompozyty degradowalne; polilaktyd; hydroksyapatyt; włókna węglowe; fosforan trójwapnia

EN

tribology; degradable composites; polylactide; hydroxyapatite; carbon fibers; tricalcium phosphate

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 18, no. 132
• Strony: 24--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Karalus W.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, ul. Wiejska 45c, 15-351 Białystok

autor

Szaraniec B.

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

autor

Gryń K.

• 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

autor

Dąbrowski J. R.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, ul. Wiejska 45c, 15-351 Białystok

autor

Jałbrzykowski M.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, ul. Wiejska 45c, 15-351 Białystok

autor

Szymaniuk E.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, ul. Wiejska 45c, 15-351 Białystok

Bibliografia

• [1] Błażewicz S., Stoch L., Biomateriały. Tom 4. Warszawa Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 2003.
• [2] Chłopek J., Morawska-Chochół A., Szaraniec B.: The influence of the environment on the degradation of polylactides and their composites. J. Achiev. Mat. Manufac. Eng. 43(1) (2010) 72-79.
• [3] Middleton C.J., Tipton A.J.: Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices. Biomaterials 21 (2000) 2335-2346.
• [4] Nair L.S., Laurencin C.T.: Biodegradable polymers as biomaterials. Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 762-794.
• [5] Bourmaud A., Pimbert S.: Investigations on mechanical properties of poly(-propylene) and poly(lactic acid) reinforced by miscanthus fibers. Composites Part A, 39 (2008) 1444-1454.
• [6] Hongyan Han, Xiaodong Wang, Dezhen Wu: Preparation, crystallization behaviors, and mechanical properties of biodegradable composites based on poly(L-lactic acid) and recycled carbon fiber. Composites. Part A, 43 (2012) 1947-1958.
• [7] Szaraniec B.: Durability of Biodegradable Internal Fixation Plates. Materials Science Forum 730 (2012) 15-19.
• [8] Rahul M., Rasala B., Amol V., Janorkar C., Douglas E., Hirt L.: Poly(lactic acid) modifications. Progress in Polymer Science 35 (2010) 338-356.
• [9] Karbushev V.V., Konstantinov I.I., Parsamyan I.L., Kulichikhin V.G., Popov V.A., George T.F.: Preparation of polymer-nanodiamond composites with improved properties. Adv Mater. Res. 59 (2008) 5-12.
• [10] Mochalin V.N., Shenderova O., Ho D., Gogotsi Y.: The properties and applications of nanodiamonds. Nat. Nano 7 (2012) 11-23.
• [11] Orozco V., Brostow W., Chonkaew W., Lopez B.: Preparation and Characterization of Poly(Lactic Acid)-g-Maleic Anhydride Starch Blends. Macromolecular Symp. 277 (2009) 69-80.
• [12] Kennedy F.E., Lu Y., Bakier I.: Contact temperatures and their influence on wear during pin-on-disk tribotesting. Tribology International 82 (2015) 534-542.
• [13] Andrysewicz E., Mystkowska J., Dąbrowski J.R., Olchowik R.: Influence of self-made saliva substitutes on tribological characteristics of human enamel. Acta Bioeng Biomech. 16(2) (2014) 67-74.