89-91 - Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów

wstępne badania
kompozytowego
stabilizatora
zewnętrznego o zmiennej
podatności
filiPiak J. 1 *, bęDziński r 1 *, chłoPek J. 2
1PoliTechnikA wrocłAwskA, ul łukAsiewiczA 7/9, 50-371
wrocłAw
2AkAdemiA górniczo – huTniczA, Al. mickiewiczA 30, 30-059
krAków
*mAilTo: jArosłAw.filiPiAk@Pwr.wroc.Pl
[Inżynieria Biomateriałów, 89-91, (2009), 211-213]
wprowadzenie
Stabilizatory zewnętrzne kości długich stosowane są w
praktyce klinicznej przede wszystkim do leczenia skomplikowanych
złamań. Niektóre konstrukcje pozwalają na
dokonywanie korekcji osi kończyny, czy też ich wydłużanie.
Zadaniem każdego stabilizatora zewnętrznego jest przejęcie
funkcji kości w zakresie przenoszenia obciążeń, jakie
na nią działają, unieruchomienie odłamów kostnych oraz
zapewnienie dynamizacji miejsca zespolenia odłamów.
Cechą współczesnych stabilizatorów jest ich „programowa”
sztywność zapewniająca dynamizację miejsca zespolenia
odłamów, szczególnie w kierunku osiowym [1,2]. W świetle
doniesień literaturowych to właśnie przemieszczenia
odłamów kostnych, wywołujące określony stan odkształcenia
w miejscu zespolenia, są jednym z podstawowych
bodźców decydujących o przebiegu procesu powstawania
i różnicowania się tkanek w szczelinie międzyodłamowej
[2,3,5]. Celem prezentowanej pracy jest wyznaczenie
właściwości mechanicznych prototypowego, kompozytowego
stabilizatora zewnętrznego o zmiennej sztywności,
przeznaczonego do leczenia złamań kości długich kończyn
górnych i dolnych.
cel pracy, materiał badawczy
Badania prowadzono dla trzech stabilizatorów wykonanych
z materiałów kompozytowych o różnych właściwościach
mechanicznych. Badany stabilizator zewnętrzny powstał w
wyniku współpracy Politechniki Wrocławskiej i Akademii
Górniczo-hutniczej w krakowie. Jest to jednopłaszczyznowy
stabilizator typu klamrowego (ryS.1). Stabilizator zaprojektowano
tak, aby możliwa była zmiana jego sztywności
w czasie procesu leczenia złamania. Zmiana sztywności
stabilizatora w funkcji czasu, leczenia pozwala na dostosowanie
podatności konstrukcji stabilizatora do zmieniających
się właściwości biomechanicznych tkanek rozwijających
się w szczelinie złamania [1]. Opracowany stabilizator
składa się z trzech płytek nakładanych kolejno jedna na
drugą. Płytka bazowa, usytuowana najbliżej leczonej kości
łączona jest z odłamami za pośrednictwem czterech śrub
wykonanych ze stali 316L. Do płytki bazowej dołączane są
kolejne dwie płytki o odpowiednio zaprojektowanej geometrii.
Zmiana sztywności w omawianym stabilizatorze odbywa
się w sposób dyskretny, poprzez zmianę liczby elementów
konstrukcyjnych biorących udział w przenoszeniu obciążeń
działających na stabilizator (ryS.1).
W przeprowadzonych badaniach analizowano stabilizatory
wykonane z trzech różnych kompozytów: PEEk i wyso-
preliminary tests of
composite eXternal fiXator
with changeable stiffness
filiPiak J. 1 *, bęDziński r 1 *, chłoPek J. 2
1TechnicAl universiTy of wrocłAw,
7/9 lukAsiewicz sTr., 50-371 wrocłAw, PolAnd
2Agh-universiTy of science And Technologyy in crAcow,
30 mickiewicz Av., 30-059 crAcow,PolAnd
*mAilTo: jArosłAw.filiPiAk@Pwr.wroc.Pl
[Engineering of Biomaterials, 89-91, (2009), 211-213]
introduction
In clinical practice, the external fixators are used mostly in
the treatment of complicated fractures and false joints. Some
of the construction enables to make correction of limb axis
and the elongation of limbs. regardless of its design, each
fixator’s function is to take over load bearing from the bone
and the bone fragments fixation. The mark of contemporary
external fixators are their define stiffness that to ensure the
dynamisation of the bone union site [1,5]. The mechanical
properties of the fixator construction determine the extent of
displacement of the fragments of the treated bone and the
resultant bone regenerate deformity. It is a kind of mechanical
signal received by the tissue cells, which is changed into
an appropriate chemical signal triggering processes of tissue
differentiation [2,5,6]. The aim of this paper is mechanical
properties of prototype composite external unilateral fixator
with specific changeable stiffness. This fixator is designed
for treatment of lower and upper long bone fractures.
material and metodology
The objects of the experimental investigations were
unilateral external fixator. The project of researched composite
external fixator has been arisen from co-operation
between Technical university of Wrocław and university
of Mining and Metallurgy in Cracow. The main idea of the
described fixator is possibility of change their stiffness in
the function of treatment process time. Change of fixator
stiffness during the processes healing is very important,
because it is possible the mechanical characteristic of the
fixator adaptation to biomechanical condition of tissue in
interfragmentary gap.
The examined external fixators were consisting with tree
plates fixing one on top of the other. Individual elements are
joining by means of screws with metrical thread. The basic
plate of external fixator is connected with bone fragments
through screws with normalized bone thread, made of steel
316L. The change of fixator stiffness achieve in a gradual
manner on the way next structural elements separate.
We tested fixators made with tree different composite
material. Tree materials were used: composite PEEk and
one direction high modulus carbon fiber (1D), composite
PEEk and one direction middle modulus carbon fiber (1DM),
composite PEEk two direction high modulus carbon fiber
(2D).
For this purpose the authors developed a simplified
model of system: external fixator – bone fragments. The
model consists of external fixator structural elements, bone
fragments and bone screws
211