Composites made of resorbable polylactide modified with bone powder are part of the current search for implantable materials endowed with advantageous biomechanical functions, which make them suitable for orthopedics and traumatology applications. The bone additive containing active bone morphogenetic proteins (BMPs) and calcium phosphates introduced into the polymer matrix is to grant the implant with a biological activity. Subsequently, the resorbable matrix should get replaced with bone tissue. In order to avoid losing the osteoinductive properties of the designed material, it should be processed at low temperatures via physicochemical methods. This paper is devoted to the preparation and optimization of the composite production method suitable for biodegradable polymers and morphogenetic proteins along with the assessment of biocompatibility and biological properties of obtained materials. The tape-casting method was successfully applied. Resorbable polymer (medical poly-L-lactide, Purasorb PL38 by Purac) with 15 wt% of human bone powder (from tissue bank) were used to fabricate PLA-CP/BMPs composite implants. They were tested in in vivo studies that were performed in rabbit bone tissues. The results show a high biocompatibility of the material and good osteointegration with bone tissue.
Use of bioresorbable materials in bone surgery opens up new possibilities in treatment of injuries and orthopaedic illnesses. Lack of necessity for implant removal surgery enables faster treatment and substantial reduction in costs of treatment. In recent years, these advantages have caused growing interest in materials of this type. It must be noted that bioresorbable materials in most cases are based on macromolecular materials – polymers which have completely different mechanical characteristics than traditional materials used in bone surgery. Bioresorbable properties give enormous possibilities but also present difficult challenges related to construction of new types of implants based on materials of this type. Full characteristics of new materials is indispensable in construction process, especially of mechanical properties and surface properties. The latter is responsible for contact with biological environment and bioactivity is determined on the basis of hydroxyapatite precipitations amount on material surface. In case of polymer based composites, influence of phases in powder and fibre form on properties is fundamental to be proved. Addition of particle modifier into polymer matrix causes reduction in strength of polymer. This phenomenon is mostly associated with homogenic particle distribution difficult to be achieved in case of higher filler content. However biological interplay is insufficient by low filler contents. Therefore in the below presented investigations different filler contents were applied and their influence on mechanical properties was investigated to achieve compromise between mechanical properties and bioactive, antibacterial or anti-inflammatory effect of the applied particles. Acquaintance with these results allowed for elaboration of full range of material and constructive solutions for implants in bone surgery. Biodegradable biopolymers have low mechanical properties (Young’s modulus, strength, viscoelasticity). Construction process of bioresorbable implants requires to be completely changed in way of conduction. Computer simulation based investigations of stress-strain characteristics is necessary to be carried out in each stage of research. Bigger cross-sections and different shapes of implants are required to achieve suitable stiffness. Application of bone screws made of resorbable materials requires design of these elements from the bottom up. Design of optimal shape of screw thread and point of contact between screw head and bone plate is particularly important. 9 different implants were designed within the confines of conducted research – including for tibia, humerus, radius, ulna, phalanges, clavicle, calcaneus, pelvis and metatarsus. Stress values were determined in analyzed implants. Acceptable loads were determined for individual types of plate. Plates made of PLA can bear small loads and play role mainly as grasping and holding bone element. In most cases additional immobilization of operated bone is required in order to prevent plate or screw destruction. In case of stabilization function for resorbable materials – as many screws as possible are recommended – thanks to it, screws are less loaded and the plate-bone system is more immobilized.
Niniejsza praca stanowi próbę opracowania nowych biowchłanialnych płytek zespalających dla potrzeb weterynarii dedykowanych szczególnie psom ras miniaturowych. Tego typu płytki mogą stanowić alternatywę dla implantów metalicznych. Do największych zalet proponowanych konstrukcji można zaliczyć brak konieczności usuwania ich z organizmu po wyleczeniu złamanej kości oraz ułatwioną, w porównaniu do implantów metalicznych, ocenę radiologiczną procesu gojenia ze względu na przepuszczalność zastosowanego materiału dla promieni X. Ograniczeniem stosowania płytek wykonanych z czystych polimerów resorbowalnych np. polilaktydu (PLA) są stosunkowo słabe właściwości mechaniczne. W związku z tym, w ramach poniższej pracy, zaproponowano cztery sposoby modyfikacji parametrów wytrzymałościowych i użytkowych czystego polimeru resorbowalnego. Do matrycy polimerowej z czystego PLA wprowadzono cztery rodzaje wzmocnienia: włókna węglowe, włókna poliakrylonitrylowe, drut ze stali chirurgicznej i drut magnezowy. Płytki proste sześciootworowe wykonano metodą wtrysku. Fazę wzmacniającą w postaci włókien lub drutu formowano w kształt odpowiadający obrysowi zewnętrznemu płytki. Tak przygotowane pętle umieszczano w formie wtryskowej, a następnie obtryskiwano ciśnieniowo polimerem w temp. 165-170°C. Gotowe płytki zespalające poddano badaniom wytrzymałościowym. W tym celu przygotowano krótkie drewniane wałki, do których metalowymi wkrętami przykręcano płytki (dwa wałki imitujące złamaną kość łączono jedną płytką). Następnie taki układ symulujący zespolenie kostne poddawano testom jednoosiowego rozciągania na maszynie wytrzymałościowej. Równocześnie przeprowadzono badania in vitro w środowisku wodnym. Określono zmiany pH, przewodności elektrycznej oraz zmiany masy i wytrzymałości po 6 tygodniowej inkubacji. Spośród badanych materiałów najlepsze właściwości mechaniczne uzyskano w przypadku modyfikacji polimeru fazą włóknistą. Dodatkowo wprowadzenie włókien pozwoliło uzyskać korzystniejszy rozkład naprężeń i odkształceń w obrębie otworów mocujących oraz wynikający z tego efektywniejszy sposób przenoszenia obciążeń podczas jednoosiowego rozciągania.
EN
This article is an attempt to develop a new concept of biodegradable fixating miniplates for veterinary medicine, specially for toy breed dogs. Polymer-based composite fixation system can be a good alternative for widely used metallic implants because there is no removal operation needed after the bone is recovered. Moreover, the radiological evaluation of a fracture healing process is much easier and more precise due to the fact that polymers are transparent for X-rays. Low mechanical properties of pure biodegradable polymers e.g.: polylactide (PLA) is one of the biggest drawbacks. For the development of implants with better mechanical and practical properties (compared to pure polymer PLA) four types of composite materials were proposed. Polylactide matrix was reinforced with: carbon fibres, polyacrylonitrile fibres, surgical steel wire and magnesium wire. Injection moulding process was applied to fabricate a six-hole I-shaped miniplates. Firstly, reinforcing phases (fibres or wires) were shaped to copy a contour of a miniplate. Then a “loop” of a fibre bundle or a wire was placed in the mould. Plastified PLA (T = 165-170°C) was injected into the mould under a high pressure filling it and covering reinforcing phase. For mechanical testing of fabricated implants a special system was prepared to simulate “real work conditions”. Short wooden rods were used to imitate the broken bone. Two rods were linked together with a composite miniplate fixed with metallic screws and tested in uniaxial tensile strength machine. Simultaneously in vitro tests were carried out. Degradation in water environment was verified. During six-weeks incubation process changes in pH values, electrical conductivity, mass loss and mechanical properties were monitored. The performed research demonstrated that the most desirable results were recorded for the polymer modified with the fibrous phase.
Leczenie rozległych ubytków skórnych przy pomocy syntetycznych materiałów lub z wykorzystaniem inżynierii tkankowej jest obecnie najbardziej rozwiniętą dziedziną medycyny regeneracyjnej. Pierwsze materiały stosowane w leczeniu rozległych oparzeń bazowały na materiałach naturalnych i kolagenie. Kolagen jest podstawą praktycznie wszystkich substytutów skórnych stosowanych aktualnie w leczeniu klinicznym. Jednak zauważalne jest zapotrzebowanie na inne materiały, w tym, przede wszystkim, polimery syntetyczne. Szczególnie ważną rolę w opracowywaniu nowych ulepszonych substytutów skóry odgrywają polimery resorbowalne. Bardzo ważną cechą polimerów syntetycznych jest możliwość modyfikacji ich właściwości na etapie syntezy oraz uzyskiwania odpowiedniej mikrostruktury. Niniejszy artykuł stanowi przegląd biomateriałów polimerowych stosowanych w regeneracji skóry. W artykule omówiono materiały stosowane i badane klinicznie, jak i najnowsze trendy w badaniach laboratoryjnych substytutów skóry.
EN
The treatment of extensive skin defects both with the use of synthetic materials or by tissue engineering is the most developed branch of regenerative medicine. First materials applied in the treatment of extensive burns were based on natural materials and collagen. Collagen is the basis of practically all skin substitutes applied in the clinical skin treatment. However the need for different materials, especially synthetic polymers, is noticeable. Resorbable polymers play particularly important role in the research on new improved substitutes of skin. The possibility of the modification of their properties on the stage of the synthesis and achieving suitable microstructure is a very important feature of synthetic polymers. In this review polymer biomaterials applied in the regeneration of skin are described. Materials which were already clinically tested, as well as the new trends in the laboratory investigations of substitutes of skin are presented.
7
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Zbadano wpływ modyfikatorów w postaci włókien i cząstek na właściwości mechaniczne kopolimeru laktydu z glikolidem, określono szybkość utraty wytrzymałości kompozytów w wyniku oddziaływania symulowanego środowiska biologicznego oraz wpływ stosowanych dodatków na szybkość degradacji. W tym celu wykonano pomiary wytrzymałości kompozytów wyjściowych oraz po inkubacji w płynie Ringera. Degradację określono na podstawie zmian pH płynu Ringera w funkcji czasu inkubacji, dodatkowo przeprowadzono analizę mikroskopową powierzchni badanych kompozytów. Wszystkie badane materiały charakteryzują się niskim modułem Younga. Stanowi to istotną zaletę tych materiałów, gdyż dopasowanie modułów sprężystości implantu i kości sprzyja właściwemu obciążaniu tkanki kostnej i umożliwia jej prawidłową odbudowę. Najbadziej efektywną poprawę wytrzymałości uzyskano przez wprowadzenie do osnowy polimerowej włókien PAN modyfikowanych hydroksyapatytem. Kompozyt ten posiada równocześnie cechy bioaktywności, związane z obecnością hydroksyapatytu. Poprawę wytrzymałości kopolimeru zapewnia także dodatek włókien węglowych. Równocześnie włókna te znacznie przyspieszają degradację osnowy. Szybką degradację kopolimeru obserwuje się również po jego modyfikacji nanorurkami węglowymi.
EN
The most important functions of implants for bone surgery are providing the correct stabilization of broken bone fragments and proper osteointegration. These requirements can be fulfilled through the appropriate mechanical (high strength and low Young's modulus) and biological (bioactivity) parameters of implants. Composite materials based on polymer matrix constitute a good basis to obtain such implants. Strength improvement of polymer is possible by fibres addition, and fixation can be influenced by bioactive additives. Moreover, the use of resorbable polymer matrix eliminates the necessity of repeated operation connected with removing implants. In the present work, poly(L-lactide-co-glicolide) - PGLA was modified by addition of two kinds of fibres (short carbon fibres - CF and polyacrylonitrile fibres containing hydroksyapatite nanoparticles - PAN/HAP) and particles (hydroxyapatite nanoparticles - HAP and carbon nanotubes - CNT). The aim of this study was to estimate the influence of modifying phase on mechanical properties of copolymer. Changes of mechanical properties and the influence of additives on degradation rate in simulated biological environment were also studied. Mechanical properties were measured by using Zwick machine, degradation rate was estimated on the basis of pH changes of Ringer solution as a function of incubation time, and additionally SEM microphotographs of composites were also obtained. One of the important advantages of studied composites is their low Young's modulus. The most effective improvement of polymer strength can be observed in the case of addition of PAN/HAP fibres. High strength and bioactivity are connected in this composite and it makes possible to obtain multifunctional implants. Increase of the strength was also achieved in the case of PGLA with carbon fibres composite. The lowest mechanical properties were observed for composites with hydroxyapatite nanoparticles and carbon nanotubes. Significant influence of carbon fibres and carbon nanotubes on degradation rate was also observed. It can be connected with carbon structure.
Celem pracy była ocena szybkości degradacji różnych polimerów resorbowalnych przetwarzanych metodą wtrysku oraz wpływu sztucznego środowiska biologicznego na zmianę właściwości mechanicznych (wytrzymałość, moduł Younga, odkształcalność) badanych materiałów. Na podstawie przeprowadzonej analizy, badane polimery można podzielić na dwie grupy: o krótkim czasie degradacji i towarzyszącej temu szybkiej zmianie parametrów mechanicznych (PGLA, PLDLA i blenda PLDLA+PGLA) oraz ulegające wolniejszej degradacji i stopniowej zmianie parametrów mechanicznych (GS i blenda GS+PLDLA). Rodzaj użytego płynu inkubacyjnego znacząco wpływa na zmianę parametrów mechanicznych próbek. Obserwowane zmiany właściwości mechanicznych badanych polimerów związane są z rozrywaniem łańcuchów polimerowych i rozluźnieniem struktury materiałów w wyniku degradacji hydrolitycznej.
EN
The aim of the presented work was the analysis of the degradation rate of different resorbable polymers processed by injection moulding and estimation of the influence of in vitro conditions on the changes of their mechanical properties (strength, Young's modulus, elongation). The analysis of the results showed that two groups of tested polymers can be distinguished: the first one, revealing faster changes of mechanical properties due to short degradation time (PGLA, PLDLA and PLDLA+PGLA blend) and the second one, with longer degradation rate and gradual changes of mechanical properties (GS and GS+PLDLA blend). Changes of mechanical properties are connected with the scission of the polymer chains and loosening of the structure as a result of hydrolytic degradation. The type of incubation solution affects the rate of decrease of mechanical properties.
W pracy przedstawiono sposób otrzymywania i analizę właściwości mechanicznych 8 rodzajów włókien resorbowalnych. Dwa rodzaje włókien otrzymano z polimerów handlowych (skrobi i polilaktydu z dodatkiem skrobi), a pozostałe z kopolimeru PEE oraz terpolimerów TEEE, których syntezy przeprowadzono uprzednio w procesie polikondensacji. Dzięki zróżnicowaniu struktury chemicznej i udziałów segmentów polimerowych możliwe było sterowanie właściwościami materiałów. Włókna formowano metodą przędzenia ze stopu. Charakterystyka mechaniczna włókien pozwoliła na ich wstępne pogrupowanie w zależności od przeznaczenia. Sztywne włókna o największej wytrzymałości i małym odkształceniu mogą zostać zastosowane jako faza wzmacniająca w kompozytach, zaś włókna bardziej podatne na odkształcenia, o niższym module sprężystości, mogą posłużyć do przygotowania elastycznych elementów zespalających.
EN
The method of manufacturing and analysis of mechanical properties of different resorbable fibres (8 types) were presented in the paper. Polymer fibres were obtained from two groups of materials: (i) commercially available polymers (starch material and polylactide modified with starch) and (ii) PEE copolymer and TEEE terpolymers synthesized by the melt polycondensation. Due to the diversity of chemical structure and concentration of constitute segments in PEE and TEEE it was possible to control the properties of materials. The polymer fibres were prepared by spinning from the melt. Their mechanical characteristics allow the fibres to be grouped depending on their potential future application. Stiff and stronger fibres with low strain were proposed to be used as reinforcement in composites, while fibres with high strain and with lower Young's modulus can be applied by preparation of elastic joining elements.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Investigations presented in ibis study show the effects of conditions simulating the human body, on the mechanical properties of biosorbable co-polymer of poly(lactide-co-glycolide) - PGLA, and its composites with short carbon fibres (PGLA/CF) and nano-particles of hydroxyapatite (PGLA/HAp). Materials were subjected to constant mechanical stresses (creep tests) in "in vitro" conditions (Ringer's solution). Their lifetimes were calculated on the basis of obtained results. Obtained results allows for determination of their suitability for medical applications. The longest lifetime values were obtained for composites reinforced with carbon fibre. The introduction of hydroxyapatite to polymer matrix shortened life-time in relation to PGLA but significantly enhanced its bioactivity. After the matrix material degradation the presence of bioactive particles facilitates the regeneration of deseased tissue. Since poly(lactide-co-glycolide) is a biosorbable material, and it is difficult to predict its long term behaviour on the basis of short-term tests, the long-term creep tests seem to be necessary.
W przedstawionej pracy badano wpływ dodatków modyfikujących na właściwości termiczne oraz mechaniczne kopolimeru laktydu z glikolidem w warunkach in vitro. Jako fazy modyfikujące zastosowano włókna węglowe krótkie, nanocząstki hydroksyapatytu pochodzenia naturalnego (z kości zwierzęcych) oraz bioszkło. Badania mechaniczne przeprowadzono dla materiałów wyjściowych oraz po 4 i 8 tygodniach inkubacji. Dodatkowo dla oceny postępu degradacji badanych materiałów w warunkach in vitro przeprowadzono obserwacje ich powierzchni za pomocą mikroskopu skaningowego. Jak zaobserwowano, dodatek włókien węglowych najbardziej ze wszystkich modyfikujących faz powiększył wytrzymałość PGLA w stosunku do wytrzymałości wyjściowej. Jednocześnie obserwowano wcześniejszą degradację kompozytu z włóknem węglowym w porównaniu do czystego polimeru i duże osłabienie właściwości mechanicznych w warunkach in vitro. Zastosowanie jako fazy modyfikującej bioszkła i hydroksyapatytu również poprawiło właściwości mechaniczne czystego PGLA. Ponadto właściwości mechaniczne kompozytu PGLA/Bioszkło były najbardziej stabilne w warunkach in vitro w porównaniu do innych materiałów, a obecność bioaktywnych cząstek wywierała korzystny wpływ na zachowanie biologiczne kompozytu PGLA/HA, co potwierdziły obserwacje SEM próbek inkubowanych w sztucznym środowisku biologicznym.
EN
In this work the effects of modifying phases on thermal and mechanical properties of lactide and glycolide co-polymer have been examined under "in vitro" conditions. Short carbon fibres, hydroxyapatite nano-particles of natural origin (animal bones) and bioglass, have been used as modifying phases. Mechanical properties' tests were carried out on initial materials after 4 and 8 weks of incubation. Additionally, in order to evaluate the progress of degradation of examined materials under "in vitro" conditions, observations of their surfaces using the SEM were performed. It has been noted that the addition of carbon fibres is the most efficient from all modifying phases in terms of PGLA strength increase, as compared to initial strength. At the same time, faster degradation of carbon fibre composite has been observed compared to pure polymer, and significant decrease of mechanical properties under "in vitro" conditions. The use of bioglass and hydroxyapatite as modifying phases improved mechanical properties of pure PGLA. Mechanical properties of PGLA/bioglass composite were the most stable under "in vitro" conditions, as compared to other materials. The presence of bioactive particles showed beneficial effect on biological behaviour of PGLA/HA composite, what was confirmed by SEM observations of samples incubated in artificial biological environment.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem z kopolimerów i terpolimerów L-laktydu, glikolidu i e-kaprolaktonu, trójwymiarowych porowatych podłoży do hodowli tkanek dla inżynierii tkankowej. Kopolimery i terpolimery zsyntezowano wykorzystując nietoksyczny związek cyrkonu jako inicjator. Opracowane podłoża mają wysoką porowatość otwartą, a wielkość ich porów może być kontrolowana, w zależności od potrzeb, w bardzo szerokim zakresie. Czas degradacji podłoży zależy od składu chemicznego polimeru. Badania in vitro wykazały, że komórki łatwo zasiedlają zarówno powierzchnię jak i wnętrze podłoży. Czas degradacji podłoży w warunkach in vivo, jest zbliżony do ich czasu degradacji in vitro.
EN
This paper presents the findings on manufacturing of porous three-dimensional scaffolds from co- and terpolymers of L-lactide, glycolide and e-caprolactone, aimed at cell culturing for tissue engineering. Such materials were synthesized with the use of non-toxic zirconium compound as an initiator. The obtained scaffolds have high open porosity and their size of pores can be controlled in a wide range, depending on medical application. Degradation time of porous scaffolds depends on chemical composition of polymers. The studies carried out in vitro show that cells easy colonize surface as well as inner parts of the scaffolds. Degradation time of scaffolds in vivo is close to that in vitro.
Leczenie chorób przyzębia techniką kontrolowanej regeneracji tkanek wymaga od implantu, aby pełnił rolę membrany odizolowującej komórki tkanki łącznej i nabłonka dziąsła od miejsca gojenia i umożliwiał komórkom ozębnej repopulację i utworzenie cementu korzeniowego z wbudowanymi włóknami kolagenowymi. W stomatologii obserwuje się coraz większe zainteresowanie implantami membranowymi do leczenia chorób przyzębia. Znanych jest wiele materiałów organicznych resorbowalnych i nieresorbowalnych, z których wytwarza się implanty dla sterowanej rekonstrukcji tkanek. W pracy przedstawiono próbę otrzymania trójfazowego implantu będącego połączeniem dwóch biozgodnych składników a mianowicie: włókniny węglowej i poli-L-laktydu. Zewnętrzną część implantu stanowi błona polimerowa będąca barierą dla niepożądanych komórek nabłonka zaś wewnętrzna część zbudowana jest z włókien węglowych stymulujących proces regeneracji tkanki kostnej. Implant polimerowo-węglowy został poddany badaniom przy zastosowaniu metod: FTIR, SEM i DSC co pozwoliło na charakterystykę jego budowy chemicznej i morfologii, natomiast inkubacja próbek w sztucznym płynie ustrojowym dostarczyła danych o trwałości implantu w warunkach in vitro.
EN
In the treatment of parodontopathy by guided tissue regeneration, it is required that the implant should play a role of a membrane that separates the connective tissue and gingival epithelium from the healing site. It should also permit repopulation of the periodontium cells along with formation of tooth root cement with the collagen fibres. In stomatology the interest in membrane implants for the treatment of parodontopathy continually increases: There are many resorbable and non-resorbable organic materials used as implants in guided tissue reconstruction. This work is an attempt to develop a three-phase implant being a combination of two biocompatible components, i.e. carbon felt and poly-L-lactide. The outer part of the implant is built of a polymeric membrane, a barrier for undesirable gingival epithelium cells, while the inner part consists of carbon fibres that stimulate the process of bone tissue regeneration. The polymer-carbon implant was examined using FTIR, SEM; and DSC, to characterise its chemistry and morphology, while incubation of samples in simulated body fluid provided the data on their stability in the in vitro conditions.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.