Home > Academic theses (ETDs) > Master’s theses > Vliv vnitřní struktury na mechanické vlastnosti 3D tištěného segmentu femuru z nového optimalizovaného biokompozitu
Original title:
Vliv vnitřní struktury na mechanické vlastnosti 3D tištěného segmentu femuru z nového optimalizovaného biokompozitu
Translated title:
The influence of internal structure on mechanical properties of 3D printed femoral segment from novel optimized biocomposite
Authors:
Nečas, Aleš ; Schmid, Pavel (referee) ; Přikryl, Radek (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2023
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
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.
Keywords:
3D printing; Biocomposite; bone regeneration; femur; gyroid; PHB; PLA; TCP; 3D tisk; Biokompozit; femur; gyroid; PHB; PLA; regenerace kostí; TCP
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/11012/209791
guest ::
