Расчет прочностных характеристик композитного материала на основе полилактида, трикальцийфосфата и гидроксиапатита

Autor: O.D. Pavlov, O.N. Khvisyuk, M.Yu. Karpinsky, Olena Karpinska
Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: ТРАВМА; Том 21, № 1 (2020); 85-91
TRAUMA; Том 21, № 1 (2020); 85-91
ISSN: 1608-1706
2307-1397
Popis: Background. In orthopedics and traumatology, polymeric materials that are absorbed and dissolved in biological fluids are used more often to make screws and fixing pins, plates and anchors, cages. Among such materials, L-polylactic acid (L-polylactide) implants are more commonly used, their feature is biodegradation, osteointegration, the ability to induce bone formation and high biocompatibility with the body. The advantage of such implants is their complete resorption, which eliminates the need for surgery to remove the implant or locking device and, consequently, prevents tissue damage. It is possible to increase the quality of polylactide-based biomaterials by introducing ceramic materials, in particular tricalcium phosphate and hydroxyapatite, into their composition. However, implants with different percentages and composition of ceramic material differ in the properties of strength and behavior in the bone. Objective: to calculate the mechanical characteristics of a composite material based on polylactic acid tricalcium phosphate and hydroxyapatite and to choose its optimal composition for the manufacture of plates for osteosynthesis of long bones. Materials and methods. The elastic modulus of composite materials with different contents of ceramic components was calculated, and the geometric parameters of the plates for bone osteosynthesis from the selected composite material were determined to ensure the stability of bone fragments. Results. Material with a following percentage composition may be an optimal variant: polylactic acid — 70 %, tricalcium phosphate — 20 % and hydroxyapatite — 10 %. Such material does not require a significant increase in plate thickness, but retains sufficient flow properties for use in a 3D printer. To ensure rigidity of fixation of tibial fragments at the same level as when using titanium plate, plates made of a composite material based on polylactide, 20 % tricalcium phosphate and 10 % hydroxyapatite should be twice as thick as titanium one. Conclusions. An admixture of 20 % tricalcium phosphate and 10 % hydroxyapatite to polylactic acid can increase the elastic modulus of the material to 19.91 GPa. Pure polylactide plates are too soft and should be three times thicker than titanium plates to provide similar fixation rigidity. A composite material with an admixture of 20 % tricalcium phosphate and 10 % hydroxyapatite can reduce by 30 % the required plate thickness for lower leg osteosynthesis.
Актуальность. В ортопедии и травматологии для изготовления винтов и фиксационных штифтов, пластин и анкеров, кейджей все чаще используются полимерные материалы, которые резорбируются и растворяются в биологических жидкостях. Часто используют имплантаты из L-полимолочной кислоты. Повысить качество биоматериалов на основе полилактида (PLA) возможно путем введения в их состав керамических материалов. Однако имплантаты с различным процентным соотношением и составом керамического материала различаются свойствами прочности. Цель: рассчитать механические характеристики композитного материала на основе PLA трикальцийфосфата (ТКФ) и гидроксиапатита (ГА) и выбрать его оптимальный состав для изготовления пластин для остеосинтеза длинных костей. Материалы и методы. Проведен расчет модуля упругости композитных материалов с различным содержанием керамических компонентов, а также определены геометрические параметры пластин для накостного остеосинтеза из выбранного композитного материала. Результаты. Оптимальным может быть вариант материала с процентным составом PLA — 70 %, ТКФ — 20 % и ГА — 10 %. Такой материал не требует значительного увеличения толщины пластины, но сохранит достаточные текучие свойства для использования в 3D-принтере. Для обеспечения жесткости фиксации отломков голени на уровне пластины из титана пластину из композитного материала на основе PLA, 20 % трикальцийфосфата и 10 % гидроксиапатита необходимо изготовить в два раза толще, чем титановую. Выводы. Примесь 20 % трикальцийфосфата и 10 % гидроксиапатита к PLA позволяет повысить модуль упругости материала до 19,91 ГПа. Пластины из чистого PLA слишком мягкие и должны быть в три раза толще титановых для обеспечения аналогичной жесткости фиксации. Композитный материал с примесью 20 % трикальцийфосфата и 10 % гидроксиапатита позволяет уменьшить необходимую толщину пластин для остеосинтеза голени на 30 %.
Актуальність. В ортопедії та травматології для виготовлення гвинтів і фіксаційних штифтів, пластин та анкерів, кейджів все частіше використовуються полімерні матеріали, що резорбуються та розчиняються в біологічних рідинах. Часто застосовують імплантати з L-полімолочної кислоти. Підвищити якість біоматеріалів на основі полілактидів (PLA) можливо шляхом введення в їх склад керамічних матеріалів. Однак імплантати з різним процентним співвідношенням та складом керамічного матеріалу розрізняються властивостями міцності. Мета: розрахувати механічні характеристики композитного матеріалу на основі PLA трикальційфосфату (ТКФ) і гідроксіапатиту (ГА) та обрати його оптимальний склад для виготовлення пластин для остеосинтезу довгих кісток. Матеріали та методи. Проведено розрахунок модуля пружності композитних матеріалів з різним умістом керамічних компонентів, а також визначено геометричні параметри пластин для накісткового остеосинтезу з обраного композитного матеріалу. Результати. Оптимальним може бути варіант матеріалу з відсотковим складом PLA — 70 %, ТКФ — 20 % та ГА — 10 %. Такий матеріал не потребує значного збільшення товщини пластини, але збереже достатні текучі властивості для використання в 3D-принтері. Для забезпечення жорсткості фіксації уламків гомілки на рівні пластини з титану пластину з композитного матеріалу на основі PLA, 20 % трикальційфосфату та 10 % гідроксіапатиту необхідно виготовляти вдвічі товщою за титанову. Висновки. Домішка 20 % трикальційфосфату та 10 % гідроксіапатиту до PLA дозволяє підвищити модуль пружності матеріалу до 19,91 ГПа. Пластини з чистого PLA є занадто м’якими і повинні бути втричі товщими за титанові для забезпечення аналогічної жорсткості фіксації. Композитний матеріал з домішкою 20 % трикальційфосфату та 10 % гідроксіапатиту дозволяє зменшити необхідну товщину пластин для остеосинтезу гомілки на 30 %.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: