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.



Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Травма та її наслідки
Зала синя Зала жовта

Журнал «Травма» Том 20, №6, 2019

Вернуться к номеру

Експериментальне дослідження механічних властивостей полілактиду

Авторы: 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

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Версия для печати


Резюме

Актуальність. Імплантати з полілактиду мають високу біосумісність та виражені остеоінтегративні властивості, що забезпечують формування навколо біоматеріалу кісткової тканини та її поступове вростання в матеріал імплантату. Розвиток технологій 3D-друку дозволяє виготовляти на основі полілактиду імплантати будь-якої форми, що дає можливість здійснювати індивідуальний підхід до лікування кожного пацієнта. Отже, питання міцнісних властивостей композитних матеріалів на основі полілактиду залишаються актуальними і потребують детального вивчення. Мета дослідження: визначити механічні властивості зразків полілактиду при навантаженнях на стиск, розтяг та згин. Матеріали та методи. Випробування зразків на міцність проводили навантаженням на розтяг, стиск та згин. Навантаження на зразки збільшували поступово з постійною швидкістю до повного руйнування зразка. Фіксували величину навантаження в момент руйнування зразка та величину його деформації. При обробці результатів випробувань зразків розраховували величину межі міцності на розтяг та стиск. Результати. Отримані експериментальні дані довели, що величина відносних деформацій, що призводять до руйнування зразків з полілактиду при навантаженні на згин та стиск, відрізняється на 0,83 %. Порівняно з кісткою навантаження на розтяг більше на 3,36 %, на стиск — на 4,19 %. Висновки. Порівняльний аналіз механічних властивостей зразків полілактиду Ingeo™ Biopolymer 4032D продемонстрував, що показник еластичності кістки (на розтяг) перевищує в 6,7 раза (p < 0,001) такий порівняно із зразками з полілактиду. Показники стиску також в 1,7 раза вище у кістці порівняно з полілактидом (p < 0,001). При випробуванні зразків на згин вірогідних відмінностей між показниками кістки та зразками з полілактиду не виявлено.

Актуальность. Имплантаты из полилактида имеют высокую биосовместимость и выраженные остеоинтегративные свойства, которые обеспечивают формирование вокруг биоматериала костной ткани и ее постепенное врастание в материал имплантата. Развитие технологий 3D-печати позволяет изготавливать на основе полилактида имплантаты любой формы и осуществлять индивидуальный подход к лечению каждого пациента. Так что вопросы прочностных свойств композитных материалов на основе полилактида остаются актуальными и требуют детального изучения. Цель исследования: определить механические свойства образцов полилактида при нагрузках на сжатие, растяжение и сгиб. Материалы и методы. Испытания образцов на прочность проводили нагрузкой на растяжение, сжатие и сгиб. Нагрузку на образцы увеличивали постепенно с постоянной скоростью до полного разрушения образца. Фиксировали величину нагрузки в момент разрушения образца и величину его деформации. При обработке результатов испытаний образцов рассчитывали величину предела прочности на растяжение и сжатие. Результаты. Полученные экспериментальные данные показали, что величина относительных деформаций, приводящих к разрушению образцов из полилактида при нагрузке на сгиб и сжатие, отличается на 0,83 %. По сравнению с костью нагрузки на растяжение больше на 3,36 %, на сжатие — на 4,19 %. Выводы. Сравнительный анализ механических свойств образцов полилактида Ingeo™ Biopolymer 4032D продемонстрировал, что показатель эластичности кости (на растяжение) превышает в 6,7 раза (p < 0,001) таковой по сравнению с образцами из полилактида. Показатели сжатия также в 1,7 раза выше у кости по сравнению с полилактидом (p < 0,001). При испытании образцов на сгиб достоверных различий между показателями кости и образцами из полилактида не обнаружено.

Background. Polylactide implants have high biocompatibility and expressive osseointegration properties that ensure the formation of bone tissue around the biomaterial and its gradual growth into the implant material. The development of 3D prin-ting technology allows us to produce polylactide implants of any shape, and to implement an individual approach to the treatment of each patient. So, the issue of strength properties of composite polylactide materials remains relevant and requires detailed study. Purpose of the study was to determine the mechanical properties of polylactide samples under compressive, tensile and bending stresses. Materials and methods. Strength testing of the samples was carried out by tensile, compression and bending loads. The load on the samples was gradually increased at a constant rate until the sample was completely destroyed. The value of the load at the time of sample destruction and the value of its deformation were recorded. When processing the results of samples testing, the tensile and compression strengths were calculated. Results. The obtained experimental data showed that the value of relative strains leading to the destruction of polylactide samples during loading for ben-ding and compression differs by 0.83 %. Compared to bone, tensile loads are increased by 3.36 %, and compression — by 4.19 %. Conclusions. A comparative analysis of the mechanical properties of Ingeo™ Biopolymer 4032D polylactide samples showed that the bone elasticity (tensile) index is 6.7 times (p < 0.001) higher than that of polylactide samples. Compression rates are also 1.7 times higher in bone compared to polylactide (p < 0.001). When testing samples for flexion, no significant differences were found between indices of bone and polylactide samples.


Ключевые слова

полілактид; навантаження; стиск; розтяг; відносна деформація; руйнування

полилактид; нагрузка; сжатие; растяжение; относительная деформация; разрушение

polylactide; loading; compression; tension; relative deformation; destruction

Вступ

У сучасній ортопедії та травматології використовується багато нових матеріалів для отримання надійного остеосинтезу або заповнення дефектів кісток. Відповідно до якостей матеріали розділяють на дві групи: біоінертні та ті, що біодеградують у ділянках імплантації [1, 2]. Матеріалами з якостями біодеградації, які зазвичай використовують у кістковій хірургії, є полігліколід (PGA), полілактид (PLA, полімолочна кислота), полілактид та полігліколід (PLGA, співполімери різного співвідношення), полідіоксанон, пропілен, полісульфон та полікарбонат. Матеріали, що частіше використовують для створення імплантатів, — PLA та PGA, особливістю яких є біодеградація в ділянках імплантації, остеоінтеграція, здатність індукувати процеси утворення кісткової тканини та висока біосумісність із тканинами організму, у тому числі з кістковою тканиною [3, 4]. Крім того, із введенням у медичну практику 3D-принтера вони стали ідеальними матеріалами для виготовлення друкованих імплантатів. Друковані імплантати з PLA забезпечують механічну стабільність, мають високу біосумісність та остеокондуктивність [5]. Дослідження з перевіркою рівня забруднення ендотоксинами PLA, друкованого на 3D-принтері, продемонструвало низькі межові рівні, визначені FDA (Food and Drug Administration) [6]. Наведені дані розширюють можливості використання матеріалу з PLA, імплантати з якого можуть бути на-друковані на 3D-принтері в разі проведення операцій на кістках. Ці імплантати використовують у кістковій хірургії та як підкладку у регенераторній медицині, зокрема й для заміщення кісткових дефектів. У деяких дослідженнях [7–9] визначено, що перші імплантати з PLA мали високий модуль пружності (3,5–3,8 ГПа) та міцність на розрив (48–110 МПа), однак їм були притаманні крихкість і низька жорсткість, що обмежувало їх застосування. Унаслідок цього були розроблені композитні полімери.

Досліджено в експерименті на щурах полілактид (Ingeo™ Biopolymer 4032D), що є продуктом полімеризації L- і D-форм лактиду (співвідношення від 24 : 1 до 32 : 1). Імплантати у вигляді гвинтів були створені за допомогою персонального 3D-принтера Ultimaker-3 (технологія друку методом наплавлення, товщина шару — 0,1–0,2 мм). Виготовлені гвинти з біополімеру імплантували в метадіафізарний та діафізарний дефекти стегнової кістки [10, 11]. Доведено, що цей матеріал є біосумісним, має високі остеоінтегративні якості, не викликає запалення в оточуючих м’яких тканинах та кістковому мозку, деструктивних змін кістки в ділянках імплантації. На кінцевий термін дослідження –(270-та доба) імплантати з полілактиду зберігали форму, деградації біоматеріалу не встановлено, що дає змогу використовувати його довготривало.

Імплантати з полілактиду мають високу біосумісність та виражені остеоінтегративні властивості, які забезпечують формування навколо біоматеріалу кісткової тканини та її поступове вростання в матеріал імплантату. Розвиток технологій 3D-друку дозволяє виготовляти на основі полілактиду імплантати будь-якої форми, що дає змогу здійснювати індивідуальний підхід до лікування кожного пацієнта. Отже, питання міцнісних властивостей композитних PLA залишаються актуальними і потребують детального вивчення.

Мета дослідження: визначити механічні властивості зразків полілактиду при навантаженнях на стиск, розтяг та згин.

Матеріали та методи

У випробувальному центрі «Науково-випробувальний центр «Надійність» Національного технічного університету України «КПІ ім. Ігоря Сікорського» були проведені експериментальні дослідження на міцність зразків з полілактиду (Ingeo™ Biopolymer 4032D), що є продуктом полімеризації L- і D-форм лактиду (співвідношення від 24 : 1 до 32 : 1). Як сказано вище, імплантати у вигляді гвинтів були створені за допомогою персонального 3D-принтера Ultimaker-3 (технологія друку методом наплавлення, товщина шару — 0,1–0,2 мм). Випробування зразків на міцність проводили під впливом трьох видів навантаження: на розтяг, стиск та згин. Випробування проводили згідно з чинними стандартами [12–14].

Випробування на розтяг (рис. 1) проводили на 8 зразках з полілактиду діаметром 10 мм і довжиною 50 мм.

Випробування на стиск (рис. 2) проводили на 20 зразках з полілактиду діаметром 10 мм і довжиною 25 мм.

Випробування на згин (рис. 3) проводили на 20 зразках з полілактиду діаметром 10 мм та довжиною 50 мм. Відстань між опорами при проведенні випробувань дорівнювала 35 мм.

У процесі випробувань навантаження на зразки збільшували поступово з постійною швидкістю до повного руйнування зразка. Фіксували величину навантаження в момент руйнування зразка та величину його деформації.

Випробування на розтяг та стиск проводили на випробувальній машині TІRATEST-2300, на згин — TІRATEST-2151. Вимірювання величини деформації зразків здійснювали за допомогою мікрометра з цифровою індексацією відліку.

При обробці результатів випробувань зразків розраховували величину межі міцності на розтяг та стиск за існуючими формулами [15].

За результатами експериментальних випробувань був проведений статистичний аналіз отриманих даних. Аналіз проводили методами описової статистики (середнє та стандартне відхилення). Порівняння 2 груп виконували за допомогою Т-тесту для незалежних вибірок, а 3 — за допомогою дисперсійного аналізу з апостеріорним тестом Дункана.

Результати та обговорення

Результати дослідження міцнісних властивостей зразків з полілактиду подано в табл. 1.

Як свідчать дані табл. 1, найбільші навантаження витримують зразки з полілактиду на стиск, найменші — при навантаженнях на згин. У разі дослідження зразків на розтяг отримані проміжні значення показників стиску та згину.

У наступному дослідженні проведено порівняння даних відносної деформації зразків з полілактиду та кістки. Отримані експериментальні дані довели, що величина відносних деформацій, що призводять до руйнування зразків з полілактиду при навантаженні на згин та стиск, відрізняється на 0,83 %. Порівняно з кісткою навантаження на розтяг більше на 3,36 %, на стиск — на 4,19 %.

Для визначення статистичної вірогідності величин відносної деформації зразків з полілактиду та кістки в умовах різних навантажень було проведено однофакторний дисперсійний аналіз (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана (табл. 3).

За результатами однофакторного дисперсійного аналізу величини відносних деформацій полілактиду при навантаженнях на розтяг та стиск розташовано в окремих підгрупах 2 і 3, що свідчить про наявність статистично значущої різниці між ними. Розташування величини відносної деформації кістки в окремій підгрупі 1 також свідчить про її статистично значущу відмінність від показників полілактиду за обома видами навантаження.

Також визначені величини межі міцності та модуля пружності полілактиду при різних видах навантаження (табл. 4).

Доведено, що при навантаженнях на стиск та згин модулі пружності полілактиду суттєво не відрізняються. Найменшу пружність полілактид демонструє при навантаженнях на розтяг. Це можливо пояснити тим, що при навантаженні на згин верхня частина зразка відчуває стискаючі напруження, а нижня — розтягуючі (рис. 4).

Проведений порівняльний аналіз (табл. 5) величин межі міцності зразків з полілактиду та кістки за різними видами навантаження дозволив визначити відмінності їх міцнісних показників. Величини межі міцності кістки при навантаженнях на розтяг стиск та згин обрано за даними літератури [16, 17].

Проведений порівняльний аналіз продемонстрував, що показник еластичності кістки (на розтяг) перевищує в 6,7 раза (p = 0,001) такий порівняно із зразками з полілактиду. Показники стиску також в 1,7 раза вище у кістці порівняно з полілактидом (p = 0,001). У разі випробування зразків на згин вірогідних відмінностей між показниками кістки та зразками з полілактиду не виявлено.

У сучасній травматології та ортопедії залишаються актуальними питаннями заповнення дефектів кісток та надійність фіксації імплантатів у хворих на остеопороз. Особливо це стосується хірургічного лікування пацієнтів з метадіафізарними та метафізарними переломами [18]. В експериментальних та клінічних дослідженнях доведено, що в умовах остеопорозу використання вуглецевих імплантатів з кутовою стабільністю не забезпечує стабільність та надійність фіксації кісткових відламків [19–21]. Автори довели, що імплантати повинні відповідати трьом вимогам: 1) надійне з’єднування кісткових фрагментів, при цьому надійність з’єднання повинна мати значний запас міцності й не повинна втрачатись з часом; 2) відновлення функції верхньої кінцівки якомога швидше, в ідеалі — відразу ж після операції; 3) мати біологічну сумісність. У літніх пацієнтів імплантат повинен знаходитись у тканинах організму людини тривалий час, часто до кінця життя, тому питання про біологічну сумісність та біологічну інертність матеріалу, з якого виготовлено імплантат, є дуже важливим.

Імплантати, виготовлені з PLA, біосумісні, мають хороші біомеханічні властивості. У разі використання при хірургічних втручаннях у ділянці колінного, гомілковостопного, плечового та ліктьового суглобів, в кістках ступні, зап’ястку, таза отримано задовільні результати [2]. Визначено, що фіксація переломів матеріалами, що біодеградують, є ефективною, як і використання традиційних засобів (металів), однак вони не потребують видалення. Якщо раніше PLA розглядали як ідеальний біоматеріал для застосування в ділянках скелета, що не несуть навантаження [22], то на сьогодні можливо створення різних композитів на основі PLA, що дасть змогу широко використовувати їх в ортопедичній практиці в ділянках скелета з різним навантаженням. Значний прогрес у виготовленні імплантатів досягнуто з використанням 3D-друку, що дає змогу вдосконалити підходи в створенні сучасних імплантатів та їх поширеного використання в клінічних умовах.

Висновки

1. Порівняльний аналіз механічних властивостей зразків полілактиду Ingeo™ Biopolymer 4032D продемонстрував, що показник еластичності кістки (на розтяг) перевищує в 6,7 раза (p = 0,001) такий порівняно із зразками з полілактиду. Показники стиску також в 1,7 раза вище у кістці порівняно з полілактидом (p = 0,001). При випробуванні зразків на згин вірогідних відмінностей між показниками кістки та зразками з полілактиду не виявлено.

2. Біоматеріал з полілактиду може бути використано для заповнення кісткових порожнин.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів та власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.


Список литературы

1. Корж Н.А., Малышкина С.В., Дедух Н.В., Тимченко И.Б. Биоматериалы в ортопедии и травматологии — роль A.A. Коржа в развитии проблемы. В кн.: Горидова Л.Д., ред. Наследие. Украина: Харьков; 2014. С. 35-49; Дєдух Н.В., Макаров В.Б., Павлов А.Д. Біоматеріал на основі полілактиду та його використання як кісткових імплантатів (аналітичний огляд літератури). Біль. Суглоби. Хребет. 2019. Т. 9. № 1. С. 28-35. DOI: 10.22141/2224-1507.9.1.2019.163056.
2. Малышкина С.В., Дедух Н.В. Медико-биологическое изучение искусственных биоматериалов для ортопедии и травматологии. Ортопедия, травматология и протезирование. 2010. № 2. С. 93-100. DOI: 10.15674/0030-59872010293-100. 
3. Радченко В.А., Дедух Н.В., Малышкина С.В., Бенгус Л.М. Биорезорбируемые полимеры в ортопедии и трав-матологии. Ортопедия, травматология и протезирование. 2006. № 3. С. 116-124.
4. Chou Y.C., Lee D., Chang T.M. et al. Development of a three-dimensional (3D) printed biodegradable cage to con-vert morselized corticocancellous bone chips into a structured cortical bone graft. Int. J. Mol. Sci. 2016. 17(4). pii: E595. doi: 10.3390/ijms17040595.
5. Ritz U., Gerke R., Götz H., Stein S., Rommens P.M. A New Bone Substitute Developed from 3D-Prints of Polylac-tide (PLA) Loaded with Collagen I: An In Vitro Study. Int. J. Mol. Sci. 2017. 18(12). pii: E2569. doi:10.3390/ijms18122569.
6. Balakrishnana H., Hassana A., Wahita M.U., Yussufa A.A., Razakb S.B.A. Novel toughened polylactic acid nanocomposite: Mechanical, thermal and morphological properties. Mater. Des. 2010. 31(7). 3289-3298. doi: 10.1016/j.matdes.2010.02.008.
7. Hamad K., Kaseem M., Yang H.W., Deri F., Ko Y.G. Properties and medical applications of polylactic acid: A re-view. eXPRESS Polymer Letters. 2015. 9(5). 435-455. doi: 10.3144/expresspolymlett.2015.42.
8. Rasal R.M., Janorkar A.V., Hirt D.E. Poly(lactic acid) modifications. Prog. Polym  Sci. 2010. 35(3). 338-356. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.12.003.
9. Дедух Н.В., Никольченко О.А., Макаров В.Б. Перестройка кости вокруг полилактида, имплантированного в диафизарный дефект. Вісник біології та медицини. 2018. № 142. С. 275-279. DOI: 10.29254/2077-4214-2018-1-1-142-275-279.
10. Макаров В.Б., Дедух Н.В., Никольченко О.А. Остеорепарация вокруг полилактида, имплантированного в метафизарный дефект бедренной кости (экспериментальное исследование). Ортопедия, травматология и про-тезирование. 2018. № 611. С. 102-107. DOI: 10/15674/0030-598720182102-107.
11. ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Метод испытания на растяжение. http://docs.cntd.ru/document/gost-11262-80.
12. ГОСТ 4651-82. Пластмассы. Метод испытания на сжатие. М.: Издательство стандартов, 1998. 8 с.
13. ГОСТ 4648-71. Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб. М., 1992. 9 с. https://plastinfo.ru/content/file/gosts/c0b9ceb877e3.pdf.
14. Кордикова Е.И. Композиционные материалы: Лабораторный практикум. Минск: БГТУ, 2007. 176 с.
15. Пронкевич С.А., Орловская А.А., Томило Е.В. Физико-механические свойства тканей человеческого орга-низма при моделировании в программном комплексе ANSYS. Теоретическая и прикладная механика: международ-ный научно-технический сборник. 2010. Вып. 25. С. 214-218.
16. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека: справочник. К.: На-укова думка, 1990. 224 с.
17. Тяжелов А.А., Романенко К.К., Органов В.В., Рами М.А. Абу Хамде Самара. Проблемы и перспективы опе-ративного лечения переломов диафизов длинных костей конечностей на фоне остеопороза. ХІІІ з’їзд ортопедів-травматологів України. Донецьк, 2001. С. 294-296.
18. Тяжелов О.А., Климовицький В.Г., Карпінський М.Ю. і співавт. Пат. на корисну модель № 46958, UA, МПК (2009) А61В5/103. — 200907801; Спосіб хірургічного лікування метафізарних і метадіафізарних переломів дов-гих кісток. Заявлено 24.07.2009; Опубл. 11.01.2010. Бюл. № 1.
19. Климовицький В.Г., Хадрі Вадид, Гончарова Л.Д. та співавт. Обґрунтування використання нового імплан-таційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. Т. 11. № 1.
20. Климовицький В.Г., Тяжелов О.А., Хадрі Вадид. Розробка моделі комбінованого остеосинтезу метафізар-них переломів із використанням вуглецевих імплантатів. Травма. 2011. Т. 12. № 1.
21. Jones N. Science in three dimensions: the print revolution. Nature. 2012. 487(7405). 22-3. DOI: 10.1038/487022a.

Вернуться к номеру