طراحي، ساخت و مشخصه يابي کامپوزيت پلي لاکتيک اسيد-شيشه زيست فعال جهت استفاده در شکستگي استخوان هاي ظريف

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this research, a partially resorbable composite bone plate consisting of a poly L-Lactic acid matrix and braided textile bioglass fibers (PLLA/BG) used as reinforcement was modeled and analyzed using the ANSYS software V. 10.0 to optimize volume fraction (V f ) of the reinforcement. Then, the PLLA/BG composite samples were fabricated according to results obtained by finite element analysis (FEA). Finally a composite bone plate was manufacture similar to Osteosynthesis Co. standard bone plates. In order to control degradation rate of the PLLA/BG composite, the interface bonding between matrix and reinforcement was improved by using Aminopropyl silane coupling agent. Moreover hot press process was selected to obtain a uniform structure with high crystallinity and less voids content. The initial mechanical properties of the composite samples were determined and effect of hydrolysis on the physical and mechanical properties was considered. Bioactivity of the composite samples was also studied using ionic coupled plasma also SEM and EDX methods. Cell response to the PLLA/BG samples was assessed by using MTT assay on the human Osteoblast cells. FEA Results showed that for a volume fraction equal to 45%, the longitudinal modulus of elasticity would be 23GPa that is near to the longitudinal elastic modulus of cortical bone. There was a good agreement between FEA and experimental results that shows a near perfect bonding at the interface. Initial value of bending modulus and bending strength of the composite samples yielded acceptable values similar to those of the cortical bone. Moreover degradation process of the composite was controlled properly due to suitable bonding at the interface. Strength of the treated composite decreased only about 5% through 2 weeks and about 35% after 8weeks. Although calcium-phosphate formation on the surface of the composite was postponed in the treated samples, the bioactivity of the composite remained unchanged and bone-like apatite was formed on the composite surface which is important for the application of the composite in bone tissue environment. A proper cell proliferation was observed for the Osteoblast cells in contact with the treated composite samples. It may be concluded that the PLLA/BG braided composite is a good candidate for load-bearing orthopedic applications. Key words: degradation rate control, mechanical properties, composite bone plate

, چکيده : استفاده از پلاک هاي استخواني فلزي، روشي متداول جهت تثبيت شکستگي استخوان بدن در درمان هاي جراحي ارتوپدي است. بروز پديده هايي چون خوردگي، آزاد شدن يون هاي فلزي، سايش، و نيز تنش سپري و پيامدهاي نامطلوب آن ها، ، نياز به عمل جراحي ثانويه جهت برداشت پلاک فلزي را اجتناب ناپذير مي سازد. جايگزيني پلاک فلزي با انواع غير فلزي، از جمله راه کارهايي است که جهت حل مشکلات در دستور کار محققين قرارگرفته است. هدف از پژوهش حاضر، طراحي، ساخت و مشخصه يابي کامپوزيت پلي ال-لاکتيک اسيد/شيشه زيست فعال، براي کاربرد به عنوان پلاک هاي ظريف بود. الياف شيشه زيست فعال به شکل بافت ساده برايد با زاويه 15 درجه نسبت به امتداد طولي، در زمينه پلي ال-لاکتيک اسيد جهت طراحي و ساخت پلاک کامپوزيتي انتخاب شد. از نرم افزار ANSYS Ver.10 جهت طراحي، مدل سازي و تحليل پلاک کامپوزيتي استفاده شد. سپس بر اساس نتايج حاصل از پيش بيني نرم افزار، نمونه هاي کامپوزيتي پلي ال-لاکتيک اسيد/الياف شيشه زيست فعال تهيه گرديد. جهت کنترل فرايند تخريب، از عامل اتصال آمينو پروپيل تري اتوکسي سيلان براي دستيابي به پيوند مناسب در فصل مشترک استفاده شد. علاوه بر آن، براي ساخت نمونه هاي کامپوزيتي، فرايند پرس داغ جهت دستيابي به زمينه اي با بلورينگي بالا و ساختاري با حداقل تخلخل و ميکرو ترک، به کار گرفته شد. سنجش خواص مکانيکي با اجراي آزمون هاي مختلف کشش، خمش و پيچش، ارزيابي زيست تخريب پذيري و زيست فعالي با استفاده از سنجش تغييرات وزن، اندازه گيري پي هاش (pH) ، آناليز طيف سنجي پلاسماي زوج يوني (ICP)، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، اسپکتروسکوپي پراکندگي انرژي پرتو ايکس انجام شد. زيست سازگاري با استفاده از سلول استئو بلاست انساني و آزمون ام تي تي (MTT) ارزيابي شد. نتايج طراحي و مدل سازي پلاک کامپوزيتي نشان دادکه با استفاده از 45 درصد حجمي الياف بافته شده شيشه زيست فعال در زمينه پلي ال-لاکتيک اسيد، پلاک کامپوزيتي حاصل از خواص مکانيکي (کششي وخمشي) نزديک به استخوان کورتيکال و کمي بالاتر از آن بر خوردار مي باشد. نتايج آزمون هاي مکانيکي نشان داد با بهينه سازي فصل مشترک و به کارگيري فرايند ساخت پرس داغ، کامپوزيت حاصل خواص مکانيکي مطلوبي را جهت تثبيت شکستگي استخوان در نواحي تحت بار متوسط از خود نشان مي دهد. استحکام کششي طولي و ضريب کشساني طولي کامپوزيت اصلاح شده، به ترتيب در حدود 194 مگاپاسکال و 22 گيگاپاسکال بود که درمقايسه با کامپوزيت اصلاح نشده، بيش از 50 درصد افزايش يافته بود. اين مطلب حاکي از ايجاد يک پيوند کووالانس قوي در سراسر فصل مشترک بود. تطابق مناسب بين نتايج حاصل پاسخ نرم افزار به مدل طراحي شده و آزمون مکانيکي انجام گرفته بر روي کامپوزيت اصلاح شده، صحت نتايج پيش بيني شده توسط مدل طراحي شده را تاييد کرد. علاوه بر آن نشان داد پيوند قوي و تقريباً کاملي در فصل مشترک الياف و زمينه در کامپوزيت اصلاح شده، ايجاد شده است. تشکيل اين پيوند، علاوه بر انتقال مناسب بار از زمينه به الياف و در نتيجه آن ارتقاء خواص مکانيکي، مانع از نفوذ سريع آب به فصل مشترک شده و هيدروليز را با تاخير مواجه مي سازد. اين مساله، تخريب کنترل شده اي را موجب مي شود که در اثر آن، خواص مکانيکي کامپوزيت نيز به آرامي و به تدريج کاهش مي يابد. پس علاوه بر آن که پلاک کامپوزيتي قابليت تثبيت شکستگي را تا پايان دوره التيام اوليه (حدود 8 هفته) دارا است، پيش بيني مي شود انتقال بار آرامي نيز به استخوان التيام يافته صورت مي گيرد که خود متابوليسم استخوان را بهبود بخشيده و بر روند التيام تاثير گذار است. تخريب کنترل شده، در اثر طراحي صحيح و فرايند مناسب ساخت، موجب کنترل تغييرات پي هاش شده و آن را در محدوده فيزيولوژيک نگه مي دارد. سيلانيزه کردن سطح الياف منجر به افزايش رهايش يون سيليسيم در محيط اطراف نمونه هاي کامپوزيتي شد که خود بر رشد و تکثير سلول هاي استئوبلاست تاثير گذار است. اگرچه با ايجاد مقاومت در برابر هيدروليز، رهايش يون هاي کلسيم، فسفر و منيزيم کمي با تاخير مواجه مي شود اما رهايش يون هاي مذکور مختل نشده و مانع از زيست فعالي پلاک کامپوزيتي نمي گردد. بررسي زيست سازگاري سلول هاي استئوبلاست انساني در مجاورت نمونه هاي کامپوزيتي اصلاح شده ، نشان داد که عامل اتصال سيلان نه تنها تاثير منفي بر پاسخ سلول هاي استئو بلاست به کامپوزيت پلي ال-لاکتيک اسيد/شيشه زيست فعال نداشته است بلکه با رهايش مناسب يون هاي اثر گذار بر رشد و تکثير اين سلول ها (به ويژه يون سيلسيم) و نيز کنترل مناسب پي هاش پاسخ بسيار مناسب تري را در مقايسه با نمونه هاي اصلاح نشده و نيز کنترل منفي ايجاد کرده است. بر اساس يافته هاي اين پژوهش، پلاک استخواني کامپوزيتي جزئي تخريب پذير پلي ال-لاکتيک اسيد/شيشه زيست فعال با طراحي مناسب، انجام اصلاح سطحي الياف و به کارگيري فرايند مناسب ساخت، قابليت تثبيت ناحيه شکستگي استخوان در نواحي تحت بار متوسط را تا پايان دوره التيام دارا بوده و علاوه بر آن بر سرعت رشد و تکثير سلول هاي استخوان ساز اثر گذار است که مي تواند بر تسريع التيام تاثير گذار باشد. با استفاده از اين پلاک غير فلزي، پيامد هاي نا مطلوب پلاک هاي فلزي مانند خوردگي و رهايش يون هاي نا مطلوب فلزي حذف مي شود. با توجه به نزديک بودن ضريب کشساني اين پلاک غير فلزي به ضريب کشساني طولي استخوان کورتيکال، پديده تنش سپري و پوکي استخوان متعاقب آن کلمات کليدي: پلاک استخواني، پلي ال- لاکتيک اسيد، شيشه زيست فعال، جزئي تخريب پذير، فصل مشترک