Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 21, №1, 2020

Back to issue

Calculation of the strength characteristics of a composite material based on polylactide, tricalcium phosphate and hydroxyapatite

Authors: Хвисюк О.М.(1), Павлов О.Д.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2)
(1) — Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Specialist manual

print version


Summary

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 %.

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 %.

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.


Keywords

композитний матеріал; полілактид; трикальційфосфат; гідроксіапатит

композитный материал; полилактид; трикальцийфосфат; гидроксиапатит

composite material; polylactide; tricalcium phosphate; hydroxyapatite


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Радченко В.А., Дедух Н.В., Малышкина С., Бенгус Л.М. Биорезорбируемые полимеры в ортопедии и травматологии. Ортопедия, травматология и протезирование. 2006. № 3. С. 116-124.

2. Kontakis G.M., Pagkalos J.E., Tosounidis T.I., Melissas J., Katonis P. Bioabsorbable materials in orthopaedics. Acta Orthop. Belg. 2007. Vol. 73. P. 159-169.

3. Терещенко В.П. Матрицы-носители в тканевой инженерии костной ткани. Успехи современного естество-знания.  2015. № 8. С. 66-70.

4. Корж Н.А., Радченко В.А., Кладченко Л.А., Малышкина C.В. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль индукции и кондукции в остеогенезе. Ортопедия, травматология и протезирование. 2003. № 2. С. 150-15.

5. Семикозов О.В. Экспериментальное обоснование применения для костной пластики пористого минералонаполненного композита полилактида, подвергнутого воздействию сверхкритической среды СО#32#1: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. мед. наук: спец. 14.00.16. О.В. Семикозов. ГОУВПО «Российский университет дружбы народов». Москва, 2008. 25 с. 29 ил.

6. Maharanaa T., Mohantyb B., Negi Y.S. Melt-solid polycondensation of lactic acid and its biodegradability. Progress in Polymer Science. 2009. № 34. P. 99-124.

7. Тумилович М.В., Савич В.В., Пилиневич Л.П. Пористые порошковые материалы и изделия на их основе для защиты здоровья человека и охраны окружающей среды: получение, свойства, применение. Минск: Белорусская наука, 2010. 367 с.

8. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 2000. 560 с.

9. Продан А.И. Биомеханическое обоснование оптимального состава композитного материала для чрес-кожной вертебропластики. Хирургия позвоночника. 2006. № 2.

10. Карпинский М.Ю. Экспериментально-теоретическое обоснование состава композитного материала для заполнения костных дефектов. Медицина и ... 2008. № 3(21).

Similar articles

Polylactide-based biomaterial and its use as bone implants (analytical literature review)
Authors: Дєдух Н.В. (1), Макаров В.Б. (2), Павлов А.Д. (3)
1 - ДУ «Інститут геронтології імені Д.Ф. Чеботарьова НАМН України», м. Київ, Україна
2 - ДЗ «Спеціалізована багатопрофільна лікарня № 1 МОЗ України», м. Дніпро, Україна
3 - Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна

"Pain. Joints. Spine." Том 9, №1, 2019
Date: 2019.05.22
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual
Studying the duration of rigidity preservation in bone fragment fixation by biodegradable polylactide plates
Authors: Хвисюк О.М.(1), Павлов О.Д.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2)
1 - Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
2 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 19, №5, 2018
Date: 2018.11.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
An experimental study of the mechanical properties of polylactide
Authors: Корж М.О. (1), Шидловський М.С. (2), Макаров В.Б. (1), Заховайко А.А. (2), Танькут О.В. (1), Карпінський М.Ю. (1), Карпінська О.Д. (1), Чуприна Д.О. (3)
1 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
2 - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна
3 - Науково-виробниче підприємство «НВП А-Tech», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 20, №6, 2019
Date: 2020.01.08
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Comparative analysis of the stress-strain state of the bone-implant system in bone osteosynthesis using PHILOS plate with various polylactide implants
Authors: Корж Н.А. (1), Макаров В.Б. (1), Липовский В.И. (2), Танькут А.В. (1)
1 - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
2 - Днепровский национальный университет им. О. Гончара, г. Днепр, Украина

"Тrauma" Том 20, №5, 2019
Date: 2019.12.21
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue