Polyuretaaniluumalliaineet lasten kasvo- ja kallokirurgian implanttien mekaanisessa testauksessa

Abstract

Lasten kasvo- ja kallokirurgiassa hoidetaan kallon epämuodostumia ja murtumia. Kirurgiassa käytettävillä implanteilla saatu mekaaninen tuki riippuu sekä implantin että luun mekaanisista ominaisuuksista. Siksi implanttien mekaanisten kokeiden tulosten luotettavuuden kannalta on tärkeää, että luumalleina käytettävien materiaalien mekaaniset ominaisuudet mallintavat mahdollisimman tarkasti luun mekaanisia ominaisuuksia. Diplomityössä selvitetään soveltuvatko standardin ASTM F1839-08 luokittelemat polyuretaaniluumallit lasten luumalleiksi. Selvitystyö tehtiin kirjallisuuskatsauksena. Polyuretaanien kimmokertoimen on todettu vastaavan aikuisen hohkaluun kimmokerrointa, mistä johtuen työssä on rajauduttu tarkastelemaan pelkästään polyuretaaniluumalleja. (Shim et al., 2012)

Kirjallisuuskatsaus osoitti, että lasten kallon rakenteesta löytyy melko hyvin tietoa, mutta mekaanisista ominaisuuksista tietoa on rajallisesti. Työssä esiteltävät johtopäätökset pohjautuvat alle 13 kuukauden ikäisten sekä 6-vuotiaiden lasten kalloista saatuihin tietoihin. 2-5-vuotiaiden lasten kallojen mekaanisista ominaisuuksista ei löytynyt tietoa. Alle 13-kuukauden ikäisen lapsen kallon mekaanisia ominaisuuksia ehdotetaan mallinnettavan standardin ASTM F1839-08 (2012) luokittelemilla luokan 20 ja 30 polyuretaaneilla. 6-vuotiaalla kallon luiden kimmokerroin on puolestaan niin suuri, ettei yhdenkään edellä mainitun standardin luokittelema polyuretaani riitä täyttämään luulle ominaisia mekaanisia ominaisuuksia. Luupalat toisiin yhdistävän sidekudoksisen sauman kimmokerroin osoittautui 6-vuotiaalla lähes 145-kertaiseksi 1-vuotiaan kallon saumaan nähden. Polyuretaanien mekaanisten ominaisuuksien tulisi olla vahvemmat, jotta niitä voitaisiin käyttää 6-vuotiaan kallo luumallina. On mahdollista että luokan 50 polyuretaania voitaisiin käyttää mallintamaan yli 2-vuotiaan kallon mekaanisia ominaisuuksia, mutta tämä edellyttäisi tarkempaa tietoa tämän ikäisten lasten kallojen mekaanisista ominaisuuksista.

Kirjallisuuskatsauksessa löydettiin yksi tutkimus (Eppleyn et al. 2006), jossa lasten kasvo- ja kallokirurgiaan suunniteltujen biohajoavien implanttien mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin polyuretaaniluumallia käyttäen, mutta tutkimuksessa ei anneta tarkkoja kuvauksia käytetyistä polyuretaaneista. Jotta polyuretaaneja voitaisiin pitää luotettavina lapsen kallon luumalleina, tulisi biomekaanisissa kokeissa tehdä vertailukokeita sekä polyuretaaniluumalleja että oikeita ihmisluita käyttäen. Käytännön syyt rajoittavat kuitenkin lasten kallonluiden käyttöä, mistä johtuen on todennäköisesti pidättäydyttävä soveltuvien eläinluiden käytössä.

Pediatric craniofacial surgery focuses on surgical care of skull deformities and fractures. The mechanical strength of bone–implant junction depends on the mechanical properties of both the bone and the implant. To achieve reliable results in mechanical testing of bioabsorbable implants it is important to use bone models which have similar mechanical properties as the human bone. The purpose of this thesis is to examine if the polyurethane bone models classified in standard ASTM F1839-08 (2012) could be used to model the mechanical properties of children skull. Elastic modulus of polyurethane foam has been found similar to adult cancellous bone which is why this thesis focuses only on polyurethane bone models. (Shim et al., 2012)

The morphology of infants skull is quite well-known, but limited information is available regarding its mechanical properties. Existing literature allows making conclusions only on infants younger than 13-months, and 6-year-old children. No information about the mechanical properties of 2–5-year-old children’s skull was found. This study suggests that class 20 and 30 polyurethanes classified in standard ASTM F1830-08 (2012) could be used as bone model for infants younger than 13-month-old. The elastic modulus of 6-year-old children skull turned out to be higher that strongest classified polyurethane. Elastic modulus of 6-year-old child’s suture, which holds the bones together, is 145 times stiffer than that of a 1-year-old. Stronger polyurethane models need to be developed before it is possible to use polyurethane to simulate the mechanical properties of 6-year-old. It is possible that class 50 polyurethane could be used to model 2-5-year-old’s skulls, but more information is needed about the mechanical properties of children skull at that age.

Literature review showed that polyurethanes are not widely used as bone models in mechanical testing of pediatric craniofacial implants. Only a single study (Eppley et al., 2006) was found where polyurethanes had been used as bone models, but it didn’t specify the polyurethane that was used. In order to establish polyurethane as a reliable bone model of children’s skulls more comparative test should be made using both polyurethane and human bone. However, practical issues limit the possibility to do this. Therefore researchers probably have to settle on using animal bones that mimic human bone.