Load-bearing bioactive hybrid materials
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2013-02-14
Department
Major/Subject
Biologinen kemia ja biomateriaalit
Mcode
KE3005
Degree programme
BIO - Bioinformaatioteknologia
Language
en
Pages
84+8
Series
Abstract
Diplomityön tavoitteena oli tutkia kolmiulotteisten kuormaa kantavien bioaktiivisten hybridimateriaalien valmistusta ortopedisiin sovelluksiin. Sovelluskohteeksi valittiin välilevyimplantti spinaalifuusioon. Kuormaa kantavana komponenttina materiaalissa toimi EBM -menetelmällä valmistettu titaaniseosverkko (TiAl6V4), kun taas bioaktiivisena komponenttina toimi joko pankkiluumurska tai biohajoavan polymeerin ja bioaktiivisen lasin muodostama komposiitti. Polymeeri huokoistettiin solujen sisään kasvun mahdollistamiseksi. Tutkimuksessa valmistettiin huokoisia polymeerirakenteita termoplastisesta sekä valosilloittuvasta poly(ε-kaprolaktonista). Termoplastisesta polymeeristä valmistettiin huokoisia rakenteita kolmella eri tavalla: kylmäkuivaamalla, kylmäuutolla sekä kastamismenetelmällä. Kylmäuutetuiden näytteiden huokoisuusrakenne selvitettiin μCT-kuvantamisella sekä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, jolloin selvisi, että huokoisuus on yhtenäistä ja huokoisuus oli 66-76 %. Huokoskoko on kuitenkin todennäköisesti liian pieni solujen sisään kasvulle. Polymeerin valosilloitusta varten syntetisoitiin metakryloitua ε-kaprolaktoni oligomeeriä, minkä jälkeen se sekoitettiin bioaktiivisen lasin sekä huokoisuuden aikaan saavan suolan kanssa. Titaaniverkko upotettiin massaan ja polymeeri valosilloitettiin. Työssä määritettiin valosilloitettujen polymeerinäytteiden sekä hohkaluunäytteiden puristuslujuus. Titaaniseosverkkojen puristuslujuus (8 MPa) sekä puristusmoduuli (0.2 GPa) olivat samaa suuruusluokkaa hohkaluun kirjallisuusarvojen kanssa (2-22 MPa ja 0.2-1.9 GPa). Puristuslujuusarvojen perusteella hybridimateriaali on mahdollisesti sopiva haluttuun sovelluskohteeseen selkärangassa, jossa on hohkaluuta. Kortikaaliluun sovelluksiin materiaali ei kuitenkaan sovellu, sillä kortikaaliluulla on huomattavasti korkeammat puristuslujuuden arvot kirjallisuudessa (100-230 MPa).The aim of this thesis was to study the preparation of three dimensional load-bearing bioactive hybrid materials for orthopedic applications. The application area is interbody cage in spinal fusion. The load-bearing component in the material is electron beam melting (EBM) manufactured titanium alloy (TiAl6V4) mesh, whereas the bioactive component was either crushed bone graft or composite made of biodegradable polymer and bioactive glass (BAG). Polymers were made porous to allow bone ingrowth. In this study, porous structures were made of thermoplastic and photocrosslinkable polycaprolactone (PCL). Three methods were used to prepare porous structures of thermoplastic PCL: freeze drying, freeze extraction and dipping. Porous structure of freeze extraction samples was determined using micro computed tomography (μCT) and scanning electron microscope. Pores were interconnected and porosity was 66-76 %. However, the pore size was probably too small for cell ingrowth. For photocorsslinking of PCL, methacrylated PCL oligomer was synthetized and mixed with BAG and porogen agent salt. Titanium alloy mesh was immersed in the mixture and the polymer was photocrosslinked. Compression strength at break was determined for photocrosslinked samples and trabecular bone samples. Compression strength at break (8 MPa) and compressive modulus (0.2 GPa) for titanium meshes were close to literature values of trabecular bone (2-22 MPa and 0.2-1.9 GPa, respectively). Therefore, the hybrid material is probably suitable for interbody cage fusion, because vertebrae are trabecular bone. However, cortical bone has much higher compression strength values at literature (100-230 MPa). Therefore the materials cannot be used in cortical bone applications.Description
Supervisor
Seppälä, JukkaThesis advisor
Malin, MinnaKeywords
TiAl6V4, electron beam melting, scaffolds, spinal fusion, orthopedics, kudosteknologian tukirakenteet, spinaalifuusio, 3D-pikavalmistus, ortopedia