E LŐÁLLÍTOTT ORVOSI CSAVAROK JELLEMZÉSE

BEVEZETÉS

A gyors prototípus- és szerszámgyártási technológiák egyedülálló lehetőséget kínálnak az orvostechnológiai fejlesztésekben egyedi implantátumok előállítására és azonos geometriájú, de eltérő alapanyagú implantátumok tesztelésére [17, 18]. További célom a vizsgált orvosi csavarok geometriája és anyaga, valamint az általuk létrehozott csatlakozási szilárdság közötti összefüggések meghatározása.

IRODALMI ÁTTEKINTÉS

O RVOSI IMPLANTÁTUMOKBAN ALKALMAZOTT ANYAGOK

• Fémek
• Polimerek
• Kerámiák

A gyors lebomlás miatt a PGA készülékek esetében megnő a gyulladás veszélye, mivel savas bomlástermékei akár 3-as pH-értéket is okozhatnak az implantátum környezetében. A bomlás gyors üteme miatt a savas bomlási melléktermékek felhalmozódhatnak az implantátum környezetében, és gyulladásos reakciót válthatnak ki a szervezetben.

G YORS PROTOTÍPUS - ÉS SZERSZÁMGYÁRTÓ ELJÁRÁSOK ÉS ALKALMAZÁSUK

• Gyors prototípusgyártó technológiák
• RPT technológiák alkalmazása az orvoslásban
• Gyors szerszámkészítési technológiák
• Gyors szerszámozási technológiák alkalmazása az orvoslásban

Az RT eljárással készült szerszámok nem funkciójukban, hanem anyagukban és gyártási módjukban különböznek a hagyományos forgácsolással készült szerszámoktól. Ennek lényege, hogy egy közbenső lépésben egy SLA eljárással készült modell szilikon másolata készül, amelyet acélporral töltött gyantával (60-80% v) vesznek körül.

I NTERFERENCIA CSAVAROK ÉS ALKALMAZÁSI TERÜLETEIK

Az interferenciacsavarokkal történő csontszövetrögzítés régebbre nyúlik vissza, mint a lágyszöveti graftok rögzítése, mégis egyre gyakoribb az interferenciacsavarokkal történő lágyrészrögzítés. Lágyszövet-graft alkalmazásakor a rögzítés erősségét elsősorban a csavar és a lágyszövet-graft határfelületén fellépő súrlódási erőből adódó reteszelő ízületek határozzák meg.

O RVOSI CSAVAROK BIOMECHANIKAI VIZSGÁLATA

• Csontcsavarok biomechanikai vizsgálatai
• Csavargeometria hatása biomechanikai vizsgálatok során
• Interferencia csavarok biomechanikai vizsgálatai

A harmadik csavarnál a menetprofil szimmetrikus "szárny" profil, lekerekített átmenetekkel, végig azonos külső és belső átmérővel (14/c ábra). A combcsont előkészített végeit két irányból csavarokkal rögzítettük a vascsőhöz, majd a csövet PMMA-val öntöttük a stabil rögzítés érdekében (17/c ábra).

C SONTOK HELYETTESÍTÉSE BIOMECHANIKAI VIZSGÁLATOK SORÁN

• Csontok szerkezete és tulajdonságai
• Csonthelyettesítő, csont-modellező anyagok biomechanikai vizsgálatokhoz

38 A fenti okok miatt megkezdődött olyan szintetikus anyagok fejlesztése, amelyek alkalmasak csontpótlásra és biomechanikai vizsgálatok során történő modellezésre. Ha a vizsgálatok során a csontot mesterséges anyagokkal helyettesítik, az eredmények elsősorban a vizsgált eszközök összehasonlítására használhatók, és az eredményeket csak a műtét utáni eredményekkel lehet összehasonlítani. Szivek kutatásai során [119] arra a következtetésre jutott, hogy a 69 MPa hajlítószilárdságú PUR hab jól modellezi a szivacsos szöveteket.

39 Patel és kutatótársai összehasonlították a g/cm3 sűrűségű PUR habok nyomórugalmassági modulusának, folyási feszültségének és folyási feszültségig elnyelt fajlagos energiájának értékeit a normál és csontritkulásos ember megfelelő értékeivel. csontok kompressziós tesztek alapján. Patel et al. [123] azt találta, hogy a 0,09 g/cm3 sűrűségű habok eredményei jóval elmaradtak a referenciaként használt csontritkulásos csont mechanikai tulajdonságaitól. A 0,16 g/cm3 habok alkalmasak lehetnek a csontritkulásos csont pótlására a vizsgálatok során, mivel rugalmassági modulusuk és folyási feszültségük eléri az oszteoporózisos csont azonos tulajdonságainak alsó határát.

A folyáshatárig elnyelt fajlagos energia értéke a kis sűrűségű PUR hab esetében jóval alacsonyabb volt, mint a csontokban mért értékek. A közepes sűrűségű PUR hab esetében alulról megközelítette az oszteoporózisos csontban mért átlagértéket, míg a nagy sűrűségű PUR hab meghaladta a normál csont átlagos energiaelnyelő képességét. Az eredmények alapján megállapították, hogy a PUR hab törékenyebb, mint a csont, ami nem okoz problémát azokban a tesztekben, ahol a meghibásodáshoz kapcsolódó stresszt vizsgálják.

A Z IRODALOM ÖSSZEGZÉSE , KRITIKAI ELEMZÉSE , CÉLKITŰZÉSEK

41 Az interferenciacsavaroknál, mint számtalan más orvosi csavarnál, folyamatos szakmai és elvi vita folyik a felszívódó polimer és fém implantátumok használatáról. Bár az orvosi szempontok (pl. élettani hatások) nem hagyhatók figyelmen kívül, mérnöki szempontból a csavaranyag és a csavargeometria közötti különbség sem hagyható figyelmen kívül. A három alapvető mérnöki anyagcsalád - fémek, kerámiák és polimerek - orvosi felhasználásának összehasonlításakor nem szabad figyelmen kívül hagynunk azt a tényt sem, hogy maga az élő szervezet - beleértve annak csontvázát is - lényegében polimer anyagok családjából áll.

Csak a polimer vagy polimer kompozit implantátumok – beleértve az orvosi csavarokat is – teljesíthetik a legfontosabb mérnöki elvet: a szerkezeti stabilitás alapelvét. Az élő szervezetbe behelyezett idegen test vagy test akkor látja el legjobban funkcióját, ha szilárdsága, merevsége, ütésállósága közel áll az általa helyettesített élő szerkezeti anyaghoz ill. Fémből vagy lebomló polimerből készült csavarok összehasonlító vizsgálatánál a különböző anyagokból készült csavarok méretkülönbsége (hosszúság, külső és belső átmérő stb.) is fontos.

Egyszerre zajlanak sertés-, szarvasmarha-, juh-in vivo és holttestkísérletek, valamint humán tetemkísérletek, valamint az azonos fajhoz tartozó készítmények között is jelentős eltérések lehetnek az eltérő nem, faj és életkor miatt. Tervezzen egyedi csavargeometriát és készítsen csavarokat fröccsöntéssel, direkt és indirekt gyorsszerszámgyártási technológiával lebomló anyagokból.

KÍSÉRLETI RÉSZ, EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE

H ABANYAGOK ÉS A CSONT ELŐZETES VIZSGÁLATAI

• Polimer habok és sertéscsont összehasonlító nyomóvizsgálatai
• Habok sebességfüggő tulajdonságai nyomóvizsgálatok során
• Dinamikus mechanikai analízis

43 párhuzamosan terhelt felületek esetén (23/a ábra) a kezdeti felfekvési felületen feszültségkoncentráció léphet fel, ami meghamisítja a mérési eredményeket. Az eljárás során összehasonlítottam a habanyag nyomószilárdságát, nyomómodulusát, folyáshatárát és a felvett energia folyáshatárát a megfelelő csonttulajdonságokkal 9 mm/perc áthaladási sebesség mellett. Az eredmények alapján megállapítható, hogy sem a Patel által tesztelt PUR habok, sem az általam vizsgált PVC habok mechanikai tulajdonságai nem érik el az egészséges sertéscsontokban mért értékeket.

Mindhárom vizsgált PVC hab modulusa meghaladja a normál és a csontritkulásos csonton mért minimális összenyomási rugalmassági modulust, bár elmarad az átlagos értéktől. A C70.90 hab energiaelnyelő képessége közelebb áll az emberi csontokon mért értékekhez, míg a C70.130 hab folyáshatára közelebb áll. Vizsgáltam a PVC hab sebességfüggő deformációs viselkedését a Li és Aspden [124] által kifejlesztett módszerrel a szivacsos emberi csontszövet tesztelésére, valamint a Patel [123] módszerével a PUR hab csontpótló anyagként való minősítésére. .

Az eljárás során mm/perc keresztfejsebesség mellett összehasonlítottam a habanyag folyási feszültségével a nyomószilárdságot, a folyási feszültséget, a nyomómodulust és a fajlagos elnyelt energiát. A C70.200 típusú PVC hab és sertéscsontok esetében azonban a tanδ az 1 Hz-es vizsgálati frekvencia feletti tartományban csökkenni kezd. A csont és a C70200 hab esetében a tanδ értéke 50 Hz-es tesztfrekvencián 10-5 volt, ami közel ideális elasztikus viselkedésű anyagot jelez, de ez a magyarázat a hab és a csont miatt kizárható.

C SAVAROK TERVEZÉSE ÉS GYÁRTÁSA

• Vizsgált csavarok tervezése
• Csavarok ellenőrzése önzáródásra
• Fröccsöntési szimulációk
• Csavarok gyártása RPT technológiával
• Polimer fröccsöntőszerszám
• Fröccsöntőszerszámok gyártása
• Csavarok fröccsöntése

Munkám során ötféle csavarprofilt hasonlítottam össze, amelyek közül négy egy szabványos orvosi fémcsavar menetprofiljára épült (36/a-d ábra. Az ötödik menetprofilt orvosokkal való egyeztetés után terveztem, figyelembe véve a lehetőséget fröccsöntésből (36/e ábra), így a PLA és az Objet csavaroknál (37/b. ábra) 2 mm átmérőjű köracéllal húztam ki, amit az átmenő furaton keresztül (38. ábra) húztam ki. /b).

A rögzítőcsavarok - beleértve az orvosi csavarokat is - egyik legfontosabb szempontja az önreteszelhetőség, vagyis a csavar nem lazul meg és nem kezd el kicsavaródni axiális terhelés hatására. A csavarmenet kis emelkedését figyelmen kívül hagyva a menetprofil viselkedése egy ferde süllyesztett furatban nyugvó hengerelt rúdhoz hasonlítható, így az erőhatás és a rúd végén keletkező súrlódási erő könnyen meghatározható ( 39/b) ábra). Az egyenetlen (nem boximetrikus) töltés hatása jól látható a két modell töltés utáni hőmérséklet-eloszlása ​​közötti különbségen (43/a. ábra).

A gáttal felszerelt modellnél a csavar két oldala között 5-10°C eltéréssel aszimmetrikus hőmérséklet-eloszlás alakul ki (43/a/II. ábra). A gátmodell hossztengelye mentén kialakult hőmérsékleti aszimmetriát tovább erősíti a gátban lévő aszimmetrikus nyírás (43/b/II. ábra), amely az érintett területeken az anyag további felmelegedését okozza. Míg a gát nélküli modellben a zsugorodás fő iránya megegyezik a csavar tengelyével (44/b/I ábra), addig a sorompós modellben (43/a/II ábra) aszimmetrikus. hőmérséklet-eloszlás. a hossztengely mentén a csavar csavarodását okozza (44/b/II ábra).

C SAVAROK KISZAKÍTÓ VIZSGÁLATAI

• Előkísérletek
• Várható kiszakítóerő becslése
• Eltérő profilú csavarok vizsgálata
• Kiszakítási sebesség hatása a kiszakítóerőre
• Eltérő anyagú csavarok vizsgálata
• Furatos és graftos rögzítési módok összehasonlítása
• Politejsav csavarok kiszakítási eredményeinek összehasonlítása

Az összesített eredmények alapján megállapítható, hogy mind a felhasznált töltött epoxigyanta, mind az Objet Fullcure™ 720 anyag alkalmas egyszerű geometriájú és kis sorozatú gyógyászati ​​termékek fröccsöntő szerszámainak gyártására. Ennek alapján azonban a furatátmérő csökkenése mellett a kitörési erőnek is növekednie kellett volna, míg az eredmények a kitörési erő csökkenését mutatták. Megismételtem a méréseket több rendelkezésemre álló, de a csavarkitörési tesztek során nem használt habon, 5,2 mm-es pilot furattal.

Az eredmények alapján megállapítható, hogy a csavar kopását a csavar és a hab felületén fellépő súrlódási erők okozzák, amelyek a csavarmenetek felületét a csavarozás és az eltávolítás során egyaránt koptatják. Az eredmények alapján az is elmondható, hogy az eltérő gyártási módból adódó geometriai eltérések, illetve az Objet csavarnál tapasztalható kopás nem okoz jelentős eltérést a csavarok szakítószilárdságában. A csavart habtömbök helyett (62/a ábra) a sertés combcsontjának lágyrésztől megfosztott disztális végében, 5,2 mm-es fúróval fúrt furatban, a keresztszalag helyén rögzítettem (62. ábra/). b).

Az 5,2 mm-es fúróval fúrt furatban - a keresztszalag helyén, a graftrögzítéssel azonos axiális helyzetben - a lágyszövet-megvonásos sertés combcsont disztális végén lévő fröccsöntött tejsavcsavart rögzítettem. . Az eredmények alapján megállapítható, hogy a PUR (iH1010) és a közepes sűrűségű PVC (C70.130) hab kötés merevsége megközelíti a furatkötésnél mért értéket, de nem éri el. A habon mért kötőelemek merevségében megfigyelhető nagy eltérések miatt az eredmények nem alkalmasak következtetések levonására a csavargeometria, a csavar anyaga és a kitépési sebesség hatása tekintetében.

ÖSSZEFOGLALÁS

A Z EREDMÉNYEK HASZNOSULÁSA

A kutatómunkám során kapott eredményeket az implantátumok egyedi vagy kis szériás gyártása, valamint csavaros implantátumok biomechanikai tesztelése során hasznosítom. Az RPT eljárással rétegről rétegre épített fém és fotopolimer csavarok ugyanolyan kihúzóerőt biztosítottak, mint a fröccsöntött PLA csavar, ugyanolyan geometriával és beépítési környezettel. Ebből arra lehet következtetni, hogy az általam használt RPT gyártási technológiával biokompatibilis fémből készült implantátumok is betölthetik funkciójukat.

Sertéscsontban történő BPTB graftrögzítések vizsgálatával igazoltam, hogy az Objet Polyjet™ gyors prototípus-készítési technológia alkalmas fröccsöntő szerszámok gyártására csavaros orvosi implantátumok kis szériás gyártásához. A további kutatások során ez a tényező végleg kizárható, és a két különböző anyagú csavarok esetében az eltérés okát máshol kell keresni. A profilkialakítás elemzéséből megállapítottam, hogy a szakirodalomban gyakran vizsgált állandó FOA esetén is akár 8-17%-os eltérés is lehet a két csavar szakítószilárdsága között, pusztán azért, mert a profil eltérő.

Utóbbiak jelentősége különösen a csavarok különböző anyagú biomechanikai vizsgálatakor lehet fontos tényező, mivel az állatkísérletekben használt, különböző anyagú csavarok, még ha azonos hosszúságúak és átmérőjűek is, általában nincs információjuk a csavarok hasonlóságáról. csavarprofiljaik vagy különbségeik.

T ÉZISEK

Kísérletileg igazoltam, hogy az azonos geometriájú, politejsavból fröccsöntött és akrilgyantából vagy gyors prototípusú rozsdamentes acélból készült interferenciacsavarok ugyanolyan kihúzószilárdsággal rendelkeznek a merev és cellás PUR zárt, térhálós PVC habokból történő kilépéskor. biomechanikai tesztek. Bizonyítottam, hogy a szakirodalomban vizsgált tervezett aktív menetfelület (FOA - Flank Over Area) mellett a csavarprofil is jelentős hatással van a csavarok szakítószilárdságára. Kísérletileg kimutattam, hogy az orvosi csavarok merev, zártcellás, térhálós PVC habokból történő kitépésekor a szakítási sebesség növelésével a szakítóerő a sebesség logaritmusával arányosan nő, és igen.

T OVÁBBI MEGOLDÁSRA VÁRÓ FELADATOK

Kovács Gábor Józsefnek, aki nem csak tanácsaikkal, észrevételeikkel segített, hanem a tudományos kutatáshoz szükséges attitűdöt is kialakította bennem. Hálás vagyok az Alvin-Plast Kft.-nek. segítségükért és a Swiss Airex AG-nak, hogy ingyen biztosítottak számomra a méréseimhez szükséges alapanyagokat.

IRODALOMJEGYZÉK

Liu Q., Leu MC, Schmitt SM: Rapid prototyping in dentistry: technology and application; International magazine for advanced manufacturing technology. Pérez CJL, Calvet JV: Uncertainty analysis of multijet modeling processes for rapid part prototyping; Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. Odonnchadha B., Tansey A.: A Note on Rapid Metal Composite Tooling by Selective Laser Sintering; Journal of Material Processing Technology.

Biofunctional rapid prototyping for tissue engineering applications: 3D bioplotting versus 3D printing; Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. Harris R.A., Newlyn H.A., Hague R.J.M., Dickens P.M.: Part shrinkage anomalies from stereolithography injection molding tools; International Journal of Machine Tools & Manufacture. Rahmati S., Dickens P.: Rapid Tool Analysis of Stereolithography Injection Molding Tools; International Journal of Machine Tools and Manufacture.

Lim C.S., Eng P., Lin S.C., Chua C.K., Lee Y.T.: Rapid prototyping and tooling of custom-made tracheobronchial stents; International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Jewell, Bach B.R.: Interference Screw Divergence in Endoscopic Anterior Cruciate Ligament Reconstruction; Arthroscopy: The Journal of Arthroscopic and Related Surgery. Biodegradable interference screw fixation exhibits pullout force and stiffness similar to titanium screws; American Journal of Sports Medicine.

MELLÉKLETEK