Vliv vnitřní struktury na mechanické vlastnosti 3D tištěného segmentu femuru z nového optimalizovaného biokompozitu
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Tato diplomová práce se zabývá vývojem nového anatomického modelu segmentu femuru na bázi materiálu poly-3-hydroxybutyrátu, kyseliny polymléčné, trikalciumfosfátu a hydroxyapatitu (PHB/PLA/TCP/HA) vytvořeného podle computerové tomografie femuru pacienta ve dvanácti variantách (A1 až A4, B1 až B4, C1 až C4) různé procentuální výplně gyroidem v místě kompakty a spongiózy reálné kosti a jeho 3D tiskem (po předchozí přípravě optimalizované směsi nového biokompozitu (OPT1), výrobě tiskové struny z tohoto biomateriálu, po stanovení jeho chemických a strukturních charakteristik, respektive po optimalizaci a ověření nejvhodnějších parametrů tisku 3D tělesa z tohoto biokompozitu). Dále byla stanovena únosnost v tlaku všech dvanácti variant vytištěných 3D modelů segmentu femuru s různou procentuální hustotou jejich vnitřní gyroidní výplně. Následně byla studována možnost predikce únosnosti v tlaku nově vyvinutého anatomického segmentu femuru počítačovou simulací s využitím numerického modelu v programu ANSYS a byly zjištěny rozdíly v hodnotách únosnosti v tlaku PHB/PLA/TCP/HA segmentu femuru při jeho reálném mechanickém testování, v porovnání s hodnotami virtuálních testů s využitím programu ANSYS. Za účelem stanovení možné rychlosti resorpce v tkáni tohoto 3D tělesa z biokompozitu PHB/PLA /TCP/HA byl zkoumán dlouhodobý vliv (po dobu 4 měsíců) simulované tělesné tekutiny na biodegradaci 3D biodegradačních těles z PHB/PLA/TCP/HA s různou procentuální výplní gyroidem (varianta I až V), která byla následně podrobena tlakovým zkouškám a byla provedena analýza jejich povrchu konfokálním mikroskopem. Nejvyšší průměrnou únosnost vykazovaly segmenty femuru se 75% výplní v místě kompakty (varianta A), a to 22,20 ± 0,50 kN, přičemž reálné vzorky segmentu femuru měly o přibližně čtvrtinu nižší únosnost v tlaku v porovnání s počítačovou simulací. Biodegradační tělesa z PHB/PLA/TCP/HA s více porézní výplní (varianty II až V) degradují pomaleji, než těleso se 100% výplní (varianta I), což je výhodné pro jejich klinické použití. Jejich pomalá degradace měla po 4 měsících příznivý vliv i na jejich únosnost. PHB/PLA/TCP/HA anatomický model segmentu femuru byl vyvíjen za účelem možného využití v medicíně k náhradě kostní tkáně při rozsáhlých defektech femuru. Před jeho případným využitím v medicíně je však zapotřebí další výzkum.
This diploma thesis presents the development of a new anatomical model of the femur segment based on a biocomposite of poly-3-hydroxybutyrate, polylactic acid, tricalcium phosphate and hydroxyapatite (PHB/PLA/TCP/HA). The model was designed using computed tomography of the patient‘s femur in twelve variants (A1 to A4, B1 to B4, C1 to C4) with different percentages of gyroid filling at the site of the compaction and spongiosis of the real bone. The biocomposite was then 3D printed after the optimized mixture of the new biocomposite (OPT1) was prepared, the printing string‘s chemical and structural characteristics were determined, and the most suitable parameters for 3D printing of the body from this biocomposite were optimized and verified. Furthermore, the pressure load capacity of all twelve variants of 3D printed femur segment models with different percentage densities of their internal gyroid filling was determined. Subsequently, the possibility of predicting the pressure load capacity of the newly developed anatomical femur segment was studied by computer simulation using the numerical model in ANSYS, and the differences in the pressure load capacity values of the PHB/PLA/TCP/HA femur segment in its real mechanical testing were found, compared to the values of the virtual tests using ANSYS. In order to determine the possible tissue resorption rate of this 3D PHB/PLA/TCP/HA biocomposite, the long-term effect (for 4 months) of simulated body fluid on the biodegradation of 3D PHB/PLA/TCP/HA biocomposite bodies with different percentages of gyroid filling (variant I to V) was examined. Subsequently, the biocomposites were subjected to pressure tests while their surface was analyzed by confocal microscopy. The femur segments with 75% filling at the compaction site (variant A) showed the highest average load capacity of 22.20 ± 0.50 kN, while the real femur segment samples had approximately one-quarter lower pressure load capacity compared to the computer simulation. The PHB/PLA/TCP/HA biodegradable bodies with more porous filling (variants II to V) degraded more slowly than the body with 100% filling (variant I), which offers benefits for their clinical use. Their slow degradation also had a beneficial effect on their load-bearing capacity after 4 months.The PHB/PLA/TCP/HA anatomical model of the femoral segment was developed for possible medical use in bone replacement for extensive femoral defects. However, further research is needed before its potential use in medicine.
This diploma thesis presents the development of a new anatomical model of the femur segment based on a biocomposite of poly-3-hydroxybutyrate, polylactic acid, tricalcium phosphate and hydroxyapatite (PHB/PLA/TCP/HA). The model was designed using computed tomography of the patient‘s femur in twelve variants (A1 to A4, B1 to B4, C1 to C4) with different percentages of gyroid filling at the site of the compaction and spongiosis of the real bone. The biocomposite was then 3D printed after the optimized mixture of the new biocomposite (OPT1) was prepared, the printing string‘s chemical and structural characteristics were determined, and the most suitable parameters for 3D printing of the body from this biocomposite were optimized and verified. Furthermore, the pressure load capacity of all twelve variants of 3D printed femur segment models with different percentage densities of their internal gyroid filling was determined. Subsequently, the possibility of predicting the pressure load capacity of the newly developed anatomical femur segment was studied by computer simulation using the numerical model in ANSYS, and the differences in the pressure load capacity values of the PHB/PLA/TCP/HA femur segment in its real mechanical testing were found, compared to the values of the virtual tests using ANSYS. In order to determine the possible tissue resorption rate of this 3D PHB/PLA/TCP/HA biocomposite, the long-term effect (for 4 months) of simulated body fluid on the biodegradation of 3D PHB/PLA/TCP/HA biocomposite bodies with different percentages of gyroid filling (variant I to V) was examined. Subsequently, the biocomposites were subjected to pressure tests while their surface was analyzed by confocal microscopy. The femur segments with 75% filling at the compaction site (variant A) showed the highest average load capacity of 22.20 ± 0.50 kN, while the real femur segment samples had approximately one-quarter lower pressure load capacity compared to the computer simulation. The PHB/PLA/TCP/HA biodegradable bodies with more porous filling (variants II to V) degraded more slowly than the body with 100% filling (variant I), which offers benefits for their clinical use. Their slow degradation also had a beneficial effect on their load-bearing capacity after 4 months.The PHB/PLA/TCP/HA anatomical model of the femoral segment was developed for possible medical use in bone replacement for extensive femoral defects. However, further research is needed before its potential use in medicine.
Description
Citation
NEČAS, A. Vliv vnitřní struktury na mechanické vlastnosti 3D tištěného segmentu femuru z nového optimalizovaného biokompozitu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
bez specializace
Comittee
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Pác (člen)
Ing. Jiří Lerch (člen)
Date of acceptance
2023-05-30
Defence
Student při obhajobě práce na téma Vliv vnitřní struktury na mechanické vlastnosti 3D tištěného segmentu femuru z nového optimalizovaného biokompozitu nejdříve představil cíle a motivace své práce. Zároveň v rámci prezentace u každého představeného cílu ukazoval získané výsledky a vysvětloval důvody použitých postupů. Postup práce následně vysvětlil na použitém matematickém modelu. Pokračoval srovnáním naměřených dat a výsledků získaných pomocí modelování. Následně zhodnotil degradaci a shrnul nejdůležitější výsledky své práce. Poté student odpovídal na otázky oponenta:
1) V kapitole 5.1.2 warping je uvedeno, že temperace tiskové podložky na 60 °C sníží warping koeficient a zvýší přilnavost tištěného materiálu, jak si myslíte, že by tomu bylo při temperaci tiskové podložky na 50 °C u vámi připraveného biokompozitu? Došlo by ke zvýšení nebo ke snížení přilnavosti materiálu k tiskové podložce oproti temperaci na 60 °C?
2) Čím je způsoben výraznější rozdíl v dosažené maximální tlakové síle mezi variantami výplně A1 (kompakta75 % - spongióza 75 %) a vzorky s variantou výplně A2 (kompakta 75 % - spongióza 50 %) oproti ostatním tištěným variantám?
3) Kolika procentního úbytku tedy bylo dosaženo u jednotlivých biodegradačních těles po 4 měsících po působení simulovanné tělesné tekutiny vzhledem k původní hmotnosti a kolik procent materiálu zůstalo po 4 měsících nezdegradovaných?
4) Napadají vás další zajímavé aplikace, kde byste využil možnosti predikce mechanických vlastností různých geometrických struktur?
5) Pomocí jakých experimentálních zkoušek a případně i těles by bylo možné stanovit modul pružnosti a pevnost v tahu tištěného materiálu? Existují normalizované zkoušky nebo je možné si definovat vlastní metodiku zkoušení?
Po odpovědích na otázky oponenta student odpovídal na otázky komise:
1) Jak se zkoušela degradace?
2) Co jsou tlakové únostnostní zkoušky a jaké je porovnání s reálnou kostí?
3) Věnovaly jste se také chrupavkám?
Na dané otázky student výborně odpověděl.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení