Dynamic mechanical characterization of biomaterials for medical devices

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-06-02
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
66 + app. 82
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 64/2023
Abstract
Biomaterials are materials that are intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment, or replace any tissue, organ, or function of the body. Medical devices are a category of various items used for the improvement of human life and health. Medical implants for both short-and longterm applications are one of the categories of medical devices that are placed in thehuman body to restore functionality or to cure a disease. The aim of this work was to analyse and develop the mechanical characterization of biomaterials intended to be used in medical devices for different clinical applications. Biomaterials should be properly evaluated before using them in an application to make sure they are safe to use and that they perform their intended task. This is a direct legal requirement set upin the European Union by the regulation 2017/745. However, adequate biomechanical assessment is not straightforward, can be expensive and also time-consuming. Improper evaluations of a biomaterial could be very risky if the implant were to fail in clinical practice. Therefore, this work focuses on how dynamic mechanical testing of biomaterials can be properly carried out to ensure that the biomaterial would function well in its intended purpose. Different biomaterials (polymers,metal, ceramics) were analysed under closer physiologically relevant conditions using dynamic mechanical analysis with several modes of loading. The results showed that the method and optimized protocols for the assessment of biomechanical properties can be made suitable for their characterization as medical devices for a specified purpose. The results could be directly used in the improvement of the designing process of medical devices, and in the analysis of the effects of manufacturing and surface treatment processes of the materials.

Biomateriaalit ovat materiaaleja, jotka on tarkoitettu käytettäväksi biologisissa systeemeissä minkä tahansa kudoksen, elimen tai kehon toiminnon arvioimiseksi, hoitamiseksi, täydentämiseksi tai korvaamiseksi. Lääkinnälliset laitteet ovat ryhmä erilaisia tuotteita, joiden tarkoituksena on edistää ihmisten terveyttä, sekä parantaa elämänlaatua. Implantit ovat yksi lääkinnällisten laitteiden luokka, jotka sijoitetaan ihmiskehoon toimintakyvyn palauttamiseksi tai sairauden parantamiseksi.Tämän työn tavoitteena on analysoida erilaisiin kliinisiin sovelluksiin tarkoitettujen biomateriaalien ominaisuuksia ja kehittää niiden mekaanista karakterisointia. Biomateriaalit on tutkittava asianmukaisesti ennen niiden käyttöönottoa, jotta voidaan varmistua niiden turvallisuudesta ja että ne toimivat toivotulla tavalla. Tämä on myös suora lainsäädännöllinen vaatimus, joka on asetettu Euroopan unionissa asetuksella 2017/745. Asianmukainen biomekaaninen arviointi ei kuitenkaan ole suoraviivaista, vaan on varsin usein kallista ja aikaa vievää. Biomateriaalin puutteellinen testaus voi pahimmillaan johtaa ko. implantin epäonnistumiseen kliinisessä käytössä. Tässä työssä keskitytään erityisesti siihen, miten biomateriaalien dynaamismekaaninen testaus voidaan suorittaa niiden tarkoitettujen sovelluskohtien mukaan. Tutkimuksessa analysoitiin erilaisia biomateriaaleja (polymeeri, metalli,keraami) lähempänä fysiologisesti merkittäviä olosuhteita käyttäen dynaamista mekaanista analyysiä, jossa käytettiin useita kuormitusmuotoja. Tulokset osoittavat, että biomekaanisten ominaisuuksien arviointimenetelmä ja optimoidut testausprotokollat voidaan tehdä paremmin sopiviksi lääkinnällisten laitteiden soveltamiseen.Tuloksia voitaisiin käyttää esimerkiksi lääkinnällisten laitteiden suunnitteluprosesseihin ja biomateriaalien valmistusmenetelmien parantamiseen.
Description
Supervising professor
Gasik, Michael, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Thesis advisor
Gasik, Michael, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Keywords
biomaterials, mechanical testing, DMA, biomateriaalit, mekaaninen mittaaminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Gasik, M.; Zühlke, A.; Haaparanta, A.-M.; Muhonen, V.; Laine, K.; Bilotsky, Y.; Kellomäki, M.; Kiviranta, I. (2018). The importance of controlled mismatch of biomechanical compliances of implantable scaffolds and native tissue for articular cartilage regeneration. Frontiers Bioeng. and Biotechn. 6: 187.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106160
    DOI: 10.3389/fbioe.2018.00187 View at publisher
  • [Publication 2]: Zühlke, A.; Gasik, M.; Vrana, N.E.; Muller, C.B.; Barthes, J.; Bilotsky, Y.; Courtial, E.-J.; Marquette, C. (2021). Biomechanical and functional comparison of moulded and 3D printed medical silicones. J. Mech. Behavior Biomed. Mater 122.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109028829
    DOI: 104649. 10.1016/j.jmbbm.2021.104649 View at publisher
  • [Publication 3]: Zühlke, A.; Gasik, M (2022). Mechanical properties assessment of wrought and 3D printed titanium for laryngeal implants. Submitted to: Journal of Medical Devices
  • [Publication 4]: Zühlke, A.; Gasik, M.; Shahramian, K.; Närhi, T.; Bilotsky, Y.; Kangasniemi, I. (2021). Enhancement of gingival tissue adherence of zirconia implant posts: in vitro study. Materials 14.2: 455.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202102091937
    DOI: 10.3390/ma14020455 View at publisher
Citation