طراحي و بهينه سازي پيچ كامپوزيتي پلي لاكتيك اسيد/ شيشه زيست فعال براي كاربردهاي ارتوپدي

Design and Optimization of Poly Lactic Acid/Bioglass Composite Screw for Orthopedic Applications

پيچ هاي فلزي به دليل استحكام مناسب جهت ترميم شكستگي هاي استخوان مورد استفاده قرار مي گيرند. اما مشكلاتي چون ضريب كشساني بالاي فلزات نسبت به استخوان هاي بدن كه منجر به پديده تنش سپري يا حفاظت تنشي مي گردد ،خوردگي ،جراحي مجدد و نيز امكان رهايش يون هاي فلزي در موضعي كه مي توان منجر به ايجاد عفونت شود ،جايگزيني پيچ هاي غير فلزي به جاي انواع فلزي را در دستور كار محققين قرار داده است. در اين مطالعه كامپوزيت متشكل از فاز زمينه پليمر پلي ال-لاكتيك اسيد و فاز تقويت كننده الياف شيشه زيست فعال جهت طراحي پيچ مد نظر قرار گرفت. ابتدا ضرايب كشساني در آناليز ميكرو تخمين زده شد سپس به آناليز ماكرو توسط نرم افزار آباكوس 6.11 براي مدلسازي با وضعيتهاي دولايه اي تشكيل شده از الياف تك جهته و رندوم (UD/R) و سه لايه اي متشكل از الياف تك جهته ،الياف با زاويه 20± درجه نسبت به اعمال نيرو و الياف رندوم (UD/±20/R) با درصد هاي مختلف از ضخامت لايه ها انتقال داده شد. نتايج نشان داد تركيب كامپوزيت سه لايه با درصد لايه هاي(25/10/65) داراي مناسب ترين پاسخ مكانيكي مي باشد. در اين نمونه با درصد لايه هاي (25/10/65) مدول خمشي 7/22 گيگا پاسكال ،استحكام خمشي 347 مگاپاسكال و ضريب كشساني در راستاي طولي 8/24 گيگا پاسكال تخمين زده شد. كه مقداري از ضريب كشساني استخوان كورتيكال بيشتر است. پيچ كامپوزيتي طراحي شده جهت تثبيت شكستگي ارتوپدي از استحكام لازم برخوردار است و به عنوان كانديدي جهت جايگزيني پيچ هاي فلزي قابل استفاده است

Considering their suitable strength and ability to properly stabilize, metal screws are used to repair bone fractures. However, problems such as osteoporosis due to high elasticity of metals relative to bones, and local infections caused by releasing metallic ions have motivated research on replacing metallic screws with non metallic ones. Use of bioresorbable screws could eliminate disadvantages associated with metals such as removal operations, corrosion and stress shielding. In this study, the composite containing poly-l-lactic acid and bioactive glass fibers were considered for the design of the screw using ABAQUS software (V6.11). The elastic constants were first estimated in micro analysis then transferred to macro analysis for modeling in two-layer situations composed of unidirectional fibers and random fibers (UD/R) and also for modeling in three-layer situations composed of unidirectional fibers, fibers with an angle of ±20 degree in relation to force vector, and random fibers (UD /±20/R) with various percentages of layer thickness. Results show that in the analysis with %65 layers of unidirectional fibers, %10 layers by fibers with an angle of ±20 degree, and %25 of layers with random fibers, flexural modulus, flexural strength, and longitudinal elasticity coefficient were estimated about 22.7 GPa, 347 MPa, and 24.8 GPa respectively, the last one being slightly higher than that of cortical bone. Considering similar results for cortical bones, our designed composite screws are robust enough to replace metal screws for repairing orthopedic fractures