تحضير وتوصيف صفائح تثبيت العظام الداخلية المصنوعة من مركب احيائي بوليمري

الباحث

تمارا رعد كاظم

المشرف

جواد كاظم عليوي - قحطان عدنان حمد

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم هندسة المواد / هندسة المواد

الشهادة

دكتوراه

السنة

2023

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Bone plate fixation;Polymeric biocomposites;PEEK;Mechanical properties

لتقنيات التثبيت الداخلي التي يمكن استخدامها لإصلاح الكسور والمساعدة في التئام الكسور وتوجد داخل جسم الانسان. الهدف من هذا البحث هو تطوير الواح تثبيت العظام بااستخدام مادة جديدة (بولي اثيلين عالي الوزن الجزيئي) يمكن أن تجمع بين مزايا كل من المعادن والألواح القابلة للتحلل. .حيث تم تصنيع ثلاثة عشر مواد مركبة حيوية تستعمل كالواح ثتبيت لعظم الفخذ باستخدام طريقة الضغط الساخن. يعتبر البولي اثيلين من البوليمرات التي تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الطبية.لما لديها توافق حيوي وخصائص مستقرة وخصائص ترايبولوجية ممتازة. و,تم استخدام البولي اثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي كمادة اساس و تقويتها بنوعين مختلفين من الدقائق تضمنت دقائق الهيدروكسي ابتايت النانوية ودقائق ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية واضافات اخرى من الياف الكفلر الحصيرية والياف الكاربون الحصيرية , لتطوير الخصائص الميكانيكية والفيزيائية والخصائص البيولوجية للبولي اثيلين عالي الوزن الجزيئي المستخدمة كالواح داخلية لتثبيت العظام. هناك أربع مجموعات من المواد المركبة الحيوية تم تحضيرها. تتكون المجموعة الأولى من البولي اثيلين عالي الوزن الجزيئي المقوى بنسب وزنية مختلفة من دقائق الهيدروكسي ابتايت النانوية (1.5 ، 2.5 ، 3.5 ، و4.5 ) Zw. تتكون المجموعة الثانية من البولي اثيلين عالي الوزن الجزيئي المقوى بنسب وزنيه مختلفة من جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية (1.5 © 2.5 ، 3.5 ، و4.5 ) Awe. ودرست خصائص الشد ¢ وقوة الانضغاط ، وخصائص الانحناء، ومقاومة الصدمة ¢ والصلادة ، والكثافة. تم فحص الخصائص الفيزيائية والهيكلية بواسطة FTIR و FE-SEM. وتبين من خلال النتائج أن جميع الخصائص قد تحسنت مع زيادة الكسور الوزنية لنوعي التقوية. sly على نتائج هذه الاختبارات تبين ان نسبة اضافة we.) 4.5%( للدقائق النانوية كانت أفضل نسبة من المتراكبات الحيوية الدقائقية لكلا النوعين من مساحيق التقوية ، وافضل قيم تم الحصول عليها عند التقوية باستخدام هيدروكسي ابتايت. بعد ذلك ،. تمت إضافة ألياف الكيفلر وألياف الكربون الحصيرية إلى المتراكبات الحيوية الدقائقية ذات نسبة )74,5( بنسبة ثابتة كانت بكسر وزني ( 5/ )، كذلك تم اجراء جميع الاختبارات الميكانيكية والفيزيائية. ظهرت الخصائص المثالية ( قوة الشد ¢ eles يونكء مقاومة الانظغاط .مقاومة الانحناء,اجهاد القص الاقصى,و مقاومة الصدمة) في al gall المتراكبة الحيوية الهجينة لعينات المجموعة الثالثة المتكونة من دقائق هيدروكسي ابتايت النانوية والياف الكاربون,حيث كانت قوة الشد ، cli gs ales مقاومة الانضغاط ،مقاومة الانحناء,اجهاد القص والصلادة: 40.34 ,MPa 4.24 ,MPa 27,MPa 53,GPal.19,MPa 27.5, sMPa. الصلادة 65 (Shore D) أما بالنسبة للخصائص الفيزيائية, فقد وجد Gl خاصية الكثافة كانت Agha GIS مشابة للخواص الميكانيكية, حيث زادت بزيادة الكسر الوزني للدقائق النانوية,وان اعلى قيمة في متراكبات الحيوية الهجينة لعينات الرابعة المتكونة من الياف الكاربون ودقائق ثاني اوكسيد التيتانيوم النانوية, حيث كانت الكثافة g/cm? 1.09 النتائج التي تم الحصول عليها من عينات المتراكبات الحيوية المحضرة عند مقارنتها بخصائص سبائك الفولاذ المقاوم L) ideal 316). فقد وجد أن العينات المحضرة لها أفضل الخواص وضمن نطاق العظم القشري. واوضحت نتائج االانعكاس الكلي لألشعة تحت الحمراء حدوث تزحيف للحزم والذي يدل على حدوث اندماج فيزيائي بين المادة االساس وطور التقوية. كذلك تم اجراء فحص المجهر إإلالكتروني الماسح لمنطقة الكسرالناتجة من فحص الشد. وبينت النتائج التوزيع المنتظم مع تكتل قليل من الجسيمات النانوية والاندماج الجيد بين اطوار التفوية. وتم قياس قابلية السطح لتبلل بزاوية التلامس مع الماء ، والتي انخفضت مع زيادة الكسر الوزني من محتوى الجسيمات النانوية وبالتالي أدى إلى زيادة في مقاومة الماء. وأن المتراكبات الحيوية الهجينة مع ) UHMWPE CF 2+ 5 + 110) أكثر محبة للماء وبالتالي يكون لديه طاقة سطحية أعلى. تتمتع al gall المتراكبة الحيوية بخصائص جيدة مضادة للبكتيريا ، وزاد التثبيط المضاد للبكتيريا وأصبح أكثر GLE مع زيادة النسبة المئوية للجسيمات النانوية مع ألياف كيفلر وألياف الكربون. من ناحية أخرى aie فحص التوافق الحيوي لعينات المتراكبات الحيوية في المختبر المتضمن فحص السمية للخلايا باستخدام اختبار MTT ؛ أظهرت النتائج تحسناآً ملحوظا في نمو الخاليا وإنتشاراً واسع | للخلايا على جميع العينات مع زيادة فترة الزرع.(11 24 و 48 و 72( ، وأقصى نمو كان عند فترة 72 ساعة من التعرض في MG-63 WS وأخيرا تم استخدام )20( ANSYS لتحديد كمية التشوه و “Gle! اجهاد وانفعال وعامل الأمان. وبينت النتائج ob قيم Factor of Safety ازدادت بزيادة الكسر الوزني لمواد التقوية وكذلك زادت تلك القيم بعد اضافة الياف الكفلر والياف الكاربون. بينما مقدار التشوه الكلي والأنفعال قلت مع زيادة الكسر الوزني لمواد التقوية. وكانت النتائج متوافقة مع النتائج العملية. وتعتبرالمحاكاة عامل مهم لتنبا بعامل الأمان لأفضل مادة ودقيقة جدا في تقييم التشوه داخل حالة عظم الفخذ البشري.

Bone plate is an important component of internal fixation techniques that can be used to repair fractures and aid fracture healing and is located inside the body. The goal of this research is to develop bone plate fixation made from a new material that could combine the advantages of both metals and biodegradable plates. By using a hot pressing method,Ultra- high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is a polymer that is widely used in medical applications. They have biocompatibility, stable properties, and excellent tribological properties. In the current study, the UHMWPE is used as a matrix material, reinforced by two different types of nanoparticles included: Nano hydroxyapatite (n-HA) particles and Nano titanium dioxide (n-TiO2) particles , followed by another addition of woven Kevlar fiber and woven carbon fiber. To develop mechanical, physical, and biological properties of UHMWPE that is used as internal bone plate fixation. Four groups of biocomposites were created in this study. The first group consisted of UHMWPE reinforced with different weight fractions of hydroxyapatite nanoparticles (1.5, 2.5, 3.5, and 4.5 wt.%). The second group consisted of UHMWPE reinforced with different weight fractions of titanium dioxide nanoparticles (1.5, 2.5, 3.5, and 4.5 wt.%). The tensile properties, compression strength, flexural properties, impact strength, hardness, and density have been studied. The physical and structural characteristics were examined by FTIR, and FE-SEM. The results of the prepared composite specimens show that all the properties are improved with increasing weight fractions of the two types of reinforcement. The best percent of particulate biocomposite based on the results of these tests was 4.5 wt.% of two types of powder (HA and TiO2), with higher values obtained when reinforced with hydroxyapatite. Furthermore,third and fourth groups was the woven Kevlar and carbon fibers were added to particulate biocomposites containing 4.5% wt. at a fixed amount of 5% wt., which were also investigated for all mechanical and physical properties. The optimum values of mechanical properties (tensile strength, Young's modulus, compression strength, flexural strength, max. shear stress, impact strength, and hardness) were collected from the UHMWPE+4.5%HA+CF hybrid biocomposite. Where tensile strength, Young's modulus, compression strength, flexural strength, max. shear stress impact strength, and hardness were (40.34 MPa, 1.19 GPa, 53 MPa, 27 MPa, 4.24 MPa, 27.5 MPa and 65 Shore-D), respectively For physical properties, it is found that the density property trends the same as mechanical properties and increases with increasing weight fractions of nanoparticles. The highest value for density (1.09 g/cm3) was collected in the UHMWPE+4.5% TiO2+CF hybrid biocomposite. The properties obtained by the prepared biocomposite specimens when compared to the properties of 316L stainless steel alloy show the best results and are within the range of cortical bone. The FTIR measurements revealed some shifted bands, which referred to a good incorporation of the reinforced material with the matrix. A scanning electron microscopy analysis was carried out for the fracture zone after the tensile test. The results show a uniform distribution with little agglomeration of nanoparticles, and good adhesion was also revealed between reinforcement phases. The wettability of the surface was measured by the water contact angle, which decreased with an increase in the weight fraction of nanoparticle content and thus led to an increase in hydrophlicity. A hybrid biocomposite with (UHMWPE+4.5%TiO2 +CF) would be more hydrophilic and therefore have a higher surface energy. The biocomposite materials had good antibacterial properties, and the antibacterial inhibition increased and became more stable with an increase in the percent of nanoparticles with incorporated Kevlar fiber and carbon fiber. On the other hand, the biocompatibility of the biocomposite specimens was investigated in vitro for toxicity by using an MTT assay; the results show promotion of cell viability, and the cells were widespread in all samples with increasing culture times (24, 48, and 72 hours), reaching maximum growth on 72 hours of exposure in MG-63 cells. Finally, the numerical part was achieved by (ANSYS 20) to study the important properties of the prepared composite materials :total deformation, Max. Von Misses stress, equivalent elastic strain and safety factor. The results show that the safety factor increase with increasing of the reinforcement weight fraction and also increase after adding Kevlar fiber and carbon fiber, whereas total deformation and strain are decreased with increasing of the reinforcement weight fraction. The simulation was very powerful in predicting the safety factor for the best material and very accurate in valuing the deformation within the human femur bone condition.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب