Original title:
Vliv polymerních mikrovláken na reologické a mechanické vlastnosti kostních cementů z fosforečnanu vápenatého
Translated title:
The effect of polymer microfibers on rheological and mechanical properties of calcium phosphate bone cements
Authors:
Dzurov, Matej ; Montufar Jimenez, Edgar Benjamin (referee) ; Vojtová, Lucy (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2019
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[eng][cze]
Táto diplomová práca sa zaoberá mechanickými a reologickými vlastnosťami resorbovateľného polymér-fosforečnanového kompozitu na báze kostného cementu vystuženého mikrovláknami z PCL (poly(-kaprolaktón)) a Pluronic-om modifikovanými PCL vláknami. Teoretická časť popisuje štruktúru kostí, vývoj kostných cementov a štrukturálne prídavky (aditíva). V experimentálnej časti je rozoberaná syntéza a charakterizácia PLGA-PEG-PLGA termosenzitívneho kopolyméru a - modifikácie fosforečnanu vápenatého ako aj technika prípravy mikrovláken. Roztok kopolyméru bol použitý pre zlepšenie obmedzenej injektovateľnosti pasty s pomerom kvapalnej k práškovej fáze (L/P) 0,5 ml/g pre všetky vzorky. Dve rôzne techniky zamiešania pasty boli použité pre možnosť kontrolovania porozity pripraveného cementu. PCL a PCL-Pluronic vlákna využité ako výstuž boli testované v troch rôznych prídavkoch, a to 1, 3 a 5 hmotnostných percent vláken na celkovú hmotnosť pripravenej pasty. Pripravené pasty boli testované pomocou dynamickej reologickéj analýzy na reometri pri laboratórnej teplote (23 °C) a fyzologických podmienkach (37 °C) so zámerom stanoviť spracovateľnosť a tuhnutie pasty. Vzorkám na ostatok analýz bolo umožnené vytvrdzovanie pri fyziologických podmienkach po dobu 10 dní. Po vytvrdení boli testované mechanické parametre ako sú pevnosť v tlaku, Youngov modul pružnosti a pevnosť v ťahu v priemere vysušených a v niektorých prípadoch aj hydratovaných vzoriek. Porozita vzoriek bola stanovená pomocou Roentgénovej počítačovej mikro-tomografie. Rastrovacia elektrónová mikroskopia bola využitá na študovanie mikroštruktúry a zabudovanie vláken do keramickej matrice. Prítomnosť vláken bola semi-kvantitatívne stanovená pomocou Fourier transformovanej infračervenej spektroskopie. Difrakcia Roentgénového žiarenia poskytla údaje o fázovom prechode prášku a jeho mineralogickom zložení. Jednotlivé hodnoty, obdržané z jednotlivých analýz, boli medzi sebou porovnané a adekvátne diskutované. Výsledkom práce je potvrdenie mierneho zlepšenia pevnosti v tlaku vzoriek vystužených hydrofóbnymi PCL alebo amfifilnými PCL-Pluronic vláknami pričom, PCL-Pluronic vlákna poskytli lepšie výsledky. Preto bolo usúdené, že polymér-fosforečnanový kostný cement vystužený vláknami je nádejným kandidátom na uplatnenie v chirurgickej praxi.
Proposed master’s thesis focuses on mechanical and rheological properties of biodegradable polymer-calcium phosphate bone cement composite reinforced with PCL (poly(-caprolactone)) and PCL-Pluronic polymer microfibers. The theoretical part describes bone structure, evolution of bone cements and structural additives. In the experimental part, synthesis and characterization of PLGA-PEG-PLGA thermosensitive copolymer and -tricalcium phosphate powder is depicted as well as microfibers preparation technique. Copolymer aqueous solution was used to counteract the paste limited injectability, where liquid to powder (L/P) ratio of 0.5 ml/g was used for all of the samples. The two different mixing techniques were used in cement preparation to modulate the sample’s porosity. PCL and PCL-Pluronic fibers used to reinforce the cement were added in the amount of 1, 3 and 5 wt. % to the total mass of cement paste. Prepared pastes were studied at the laboratory (23 °C) and under physiological conditions (37 °C) using dynamical rheological analysis, with the aim to establish workability and setting of the paste. Samples for the rest of the analyses were enabled to set at physiological conditions for the duration of 10 days. Afterward, mechanical parameters like compressive strength, elastic modulus and diametric tensile strength of dried and in some cases hydrated samples were tested. Porosity was established using micro-computed tomography. Scanning electron microscopy was used to study microstructure and fiber incorporation into a ceramic matrix. Presence of fibers was semi-quantitatively studied using Fourier transformed infrared spectroscopy. X-ray diffraction provided data about powder phase transformation and mineralogical aspects of cement. Individual sample performances were evaluated and compared. As a result, addition of either hydrophobic PCL or amphiphilic PCL-Pluronic fibers into polymer-phosphate cement slightly increased compressive strength where PCL-Pluronic modified fibers performed better. Therefore was concluded, that polymer-phosphate bone cement reinforced with microfibers is promising candidate for surgical practice.
Keywords:
-TCP; biodegradovateľnosť; kostné cementy na báze fosforečnanu vápenatého; mechanické vlastnosti; PLGA-PEG-PLGA termosenzitívny kopolymér; reológia; výstuž vláknami; -TCP; biodegradability; calcium phosphate bone cement; fiber reinforcement; mechanical properties; PLGA-PEG-PLGA thermosensitive copolymer; rheology
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/204442
guest ::
