89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

skafoldy
hydroksyapatytowe
i kompozytowe
wytwarzane metodą
robocasting
k.gryń 1 , J. chłoPek 2
1 wydziAł meTAli nieżelAznych,
Agh–AkAdemiA górniczo-huTniczA,
Al. mickiewiczA 30, 30-059 krAków.
2 wydziAł inżynierii mATeriAłowej i cerAmiki,
Agh–AkAdemiA górniczo-huTniczA,
Al. mickiewiczA 30, 30-059 krAków.
*MAILTO: kgryn@Agh.edu.PL
Streszczenie
W celu poprawy własności mechanicznych implantów
kostnych a także chęci odtworzenia rozwiązań
wypracowanych przez naturę stale prowadzi
się poszukiwania nowych materiałów i technologii
wytwórczych. W artykule przedstawiono badania
nad rusztowaniami hydroksyapatytowymi (HA)
i kompozytowymi o kontrolowanej porowatości wykonanymi
metodą Robocasting.
Celem badań było wytworzenie materiału bazującego
na rusztowaniach HA naśladującego
strukturalnie naturalną kość, która zbudowana jest z
dwóch głównych składników: organicznej macierzy,
składającej się głównie z jednorodnie zorientowanych
włókien kolagenowych stanowiących ok. 30wt%
i porowatego szkieletu mineralnego zbudowanego
z fosforanów wapnia (HA) – ok.70wt%.
Dzięki takiej budowie kość jest lekka i sztywna a
jednocześnie zachowuje elastyczność w pewnym
zakresie. To stanowi o jej naturalnej odporności na
obciążenia dynamiczne.
Porowate rusztowania bioceramiczne, w dużo
większym stopniu niż bioceramika gęsta, podatne
są na uszkodzenia związane z obciążeniami dynamicznymi.
Ich kruchość stanowi poważny problem
i znacząco ogranicza stosowanie takich materiałów.
Z tego powodu poszukuje się sposobów polepszających
ich własności wytrzymałościowe. Opierając
się na zasadach biomimetyzmu zdecydowano
o wykonaniu kompozytu ceramiczno-polimerowego.
[Inżynieria Biomateriałów, 89-91, (2009), 201-204]
wprowadzenie
Do przygotowania próbek o kontrolowanym kształcie i
makroporowatości zastosowano metodę robocasting [1].
Technika ta pozwala budować rusztowania ceramiczne z
odpowiednio przygotowanej pasty bazującej na wodzie i
celulozie. Całość procesu jest sterowana i kontrolowana
w stystemie CAD-CAM Wyciskając pojedyncze linie układa
się je w warstwy, które następnie nakładane są kolejno
na siebie [FIG.1].
W ten sposób uzyskuje się przestrzenną strukturę porowatą.
końcowa obróbka ogranicza się do spiekania próbek.
W przypadku hydroksyapatytu (hA) 1200°C/3h. Technika
ta pozwala na wykonanie struktur przestrzennych o niemal
dowolnym stopniu złożoności w mniej niż 24h. Szczegółowe
informacje na temat procesu wytwarzania i przygotowania
development of
hydroXyapatite and
hydroXyapatite/polymer
composite scaffolds by
robocasting
k.gryń 1 *, J. chłoPek 2
1 fAculTy of non-ferrous meTAls,
Agh–universiTy of science And Technology,
30 mickiewicz Av., 30-059 crAcow, PolAnd.
2 fAculTy of mATeriAl sciences And cerAmics,
Agh–universiTy of science And Technology,
30 mickiewicz Av., 30-059 crAcow, PolAnd.
*MAILTO: kgryn@Agh.edu.PL
abstract
The quest for a better bone implant and mimicing
the nature led to a new material preparation.
This article presents further research on Robocasting
and controlled porosity bioceramic scaffolds.
T h e a i m w a s t o f a b r i c a t e a c o m p o -
site material based on hydroxyapatie scaffold.
Because natural bone consists of two main compounds:
mineral matrix (hydroxyapatite ≈70%) and
organic part (mostly collagen fibrils ≈30%). It was decided
to strengthen pure HA robocasted scaffolds with
the poly-lactide L-glicolide (PGLA 85/15) which is
resorbable polymer widely used in medical applications.
HA scaffolds were embedded in PGLA. Newly
produced composites were tested and results
were compared with pure HA scaffolds. Structural
and mechanical testing was conducted. It was observed
that HA/PGLA composite has much higher
values of Fmax and σ when compared with pure HA.
Important fact which has to be highlighted is that
after compressive test pure HA samples turned into
rubble whereas HA/PGLA stayed coherent and kept
their shape.
[Engineering of Biomaterials, 89-91, (2009), 201-204]
introduction
A new rapid prototyping technique called robocasting
was applied for controlled porosity scaffold fabrication
[1]. It is the near-net-shape processing of materials by
sequentially stacking thin layers until complicated, threedimensional
shapes are produced. Mixtures of ceramic
powder, water and trace amounts of chemical modifiers
are deposited through a nozzle [FIG.1]. The operation is
computer-controlled and requires no mold. This technology
allows producing objects rapidly and directly from CAD
drawings. No final machining is necessary. After the part
is formed and completely dried, it is baked in a furnace at
very high temperatures (for hA 1200ºC) so that the particles
can “densify,” in a process called sintering. robocasting is
able to make complex parts in less than 24 hours. Detailed
fabrication process and preliminary tests of robocasted
structures were already described and published [2,3]. In
this article a continuation of that research is presented.
Ceramic scaffolds used as bone substitutes have one big
disadvantage – brittleness [4]. Thus, the use of such materials
is limited for non-load-bearing applications. Although
201