PL238477B1

PL238477B1 - Polymer model of the trabecular bone and method of its production

Info

Publication number: PL238477B1
Application number: PL427872A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Topoliński; Angela Andrzejewska; Matylda Masewicz
Original assignee: Univ Technologiczno Przyrodniczy Im Jana I Jedrzeja Sniadeckich W Bydgoszczy
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2021-08-30
Also published as: PL427872A1

Abstract

Przedmiotem rozwiązania jest polimerowy model kości beleczkowej przeznaczony jest do badań wytrzymałościowych implantów lub jako rusztowanie dla inżynierii tkankowej. Polimerowy model kości ma postać porowatej, prostopadłościennej bryły, której płaszczyzna górna i dolna ma zarys kwadratu, zaś boki mają zarys prostokąta, przy czym stosunek długości do wysokości bryły wynosi 5-1, bryła jest pusta w środku, zaś boki xz i xz', i xy i xy' wypełnione biozgodnym materiałem polimerowym, złożonym z szeregu warstw, przy czym grubość pojedynczej warstwy wynosi 0,1 mm, a grubość ścieżki obrysu wynosi 0,4 mm, zaś na płaszczyznach górnej xz i dolnej xz', ma rozmieszczonych symetrycznie po dziewięć sześciokątnych otworów 1, o równej długości boków stanowiących 1/2 wysokości bryły, przy czym otwory w górnej i dolnej powierzchni, połączone są wzajemnie pełnymi ściankami, tworząc łącznie pionowe kanaliki 2 o zarysach sześciokątnych brył, wypełnione biozgodnym materiałem polimerowym, złożonym z szeregu warstw, przy czym grubość pojedynczej warstwy wynosi 0,1 mm, a grubość ścieżki obrysu wynosi 0,4 mm, zaś boki bryły stanowiące prostokątne naprzeciwległe powierzchnie yz i yz' są jednolite, a druga para boków, stanowiących naprzeciwległe powierzchnie xy i xy', ma trzy prostokątne otwory (3), usytuowane symetrycznie wzdłuż boków, równolegle do płaszczyzny górnej i dolnej bryły.The subject of the solution is a polymer model of trabecular bone intended for strength tests of implants or as a scaffold for tissue engineering. The polymer bone model has the form of a porous, cuboid block, the upper and lower surfaces of which have a square outline, and the sides have a rectangular outline, the ratio of the length to the height of the solid is 5-1, the solid is hollow inside, and the sides xz and xz', and xy and xy' filled with a biocompatible polymer material, composed of a number of layers, the thickness of a single layer is 0.1 mm and the thickness of the contour path is 0.4 mm, and on the upper xz and lower xz' planes, there are symmetrically arranged nine hexagonal holes 1, with equal side lengths constituting 1/2 of the height of the solid, with the holes in the upper and lower surfaces connected to each other by solid walls, creating a total of vertical channels 2 with the outlines of hexagonal solids, filled with a biocompatible polymer material composed of a number of layers , where the thickness of a single layer is 0.1 mm and the thickness of the stroke path is 0.4 mm, and the sides of the solid constituting the rectangular opposite surfaces yz and yz' are uniform, and the other pair of sides, constituting the opposite surfaces xy and xy', have three rectangular holes (3), located symmetrically along the sides, parallel to the plane of the upper and lower body.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem rozwiązania jest polimerowy model kości beleczkowej przeznaczony jest do badań wytrzymałościowych implantów lub jako rusztowanie dla inżynierii tkankowej.The subject of the solution is a polymer model of the trabecular bone intended for strength testing of implants or as a scaffold for tissue engineering.

Polimerowy model kości beleczkowej wytwarzany jest na drodze technik kształtowania przyrostowego z zastosowaniem syntetycznych biodegradowalnych i biozgodnych materiałów polimerowych. Wytrzymałość mechaniczna modelu kości odpowiada wytrzymałości ludzkiej kości beleczkowej.The polymer trabecular bone model is produced by incremental shaping techniques using synthetic biodegradable and biocompatible polymer materials. The mechanical strength of the bone model corresponds to that of the human trabecular bone.

Znane są rozwiązania rusztowań kostnych o kształtach walcowych lub prostopadłościennych. Rusztowania te różnią się pod względem rozmiaru oraz kształtu porów znajdujących się na ich powierzchni. Wielkość tych porów odpowiada za możliwość rozrostu komórek kostnych w objętości i na powierzchni rusztowania, a tym samym może umożliwiać regenerację ubytków tkanki kostnej.Bone scaffolds with cylindrical or cuboidal shapes are known. These scaffolds differ in terms of the size and shape of the pores on their surface. The size of these pores is responsible for the possibility of the growth of bone cells in the volume and on the surface of the scaffold, and thus may enable the regeneration of bone tissue defects.

W czasopiśmie Int J Mol Sci. 16(7), 15118-35, 2015 opisano rusztowania kostne wytwarzanie z polilaktydu (PLA) lub akrylonitrylobutadienostyrenu (ABS) na drodze i kształtowania przyrostowego. Przyjęto wymiary matrycy : 10 mm x 10 mm x 3 mm i wymiarach porów: 0,7 mm x 0,7 mm x 3,5 mm.In the journal Int J Mol Sci. 16 (7), 15118-35, 2015 describes the production of bone scaffolds from polylactide (PLA) or acrylonitrile butadienostyrene (ABS) by way of incremental shaping. The matrix dimensions were assumed: 10 mm x 10 mm x 3 mm and the pore dimensions: 0.7 mm x 0.7 mm x 3.5 mm.

Rusztowania według publikacji charakteryzowały się dobrymi właściwościami mechanicznymi, a hodowane na nich komórki charakteryzowały się dużą żywotnością. Przy czym ABS jest materiałem toksycznym i nie należy go stosować jako materiału dla zastosowań w inżynierii tkankowej.According to the publication, the scaffolds were characterized by good mechanical properties, and the cells grown there were characterized by high viability. ABS is a toxic material and should not be used as a material for tissue engineering applications.

W Organogenesis, 9(4), 239-244, 2013 wskazywano na rozwiązanie prostopadłościenne z PLA o zróżnicowanych cechach konstrukcyjnych. Zaproponowano dwa rozwiązania rusztowań. Pierwsze z rusztowań było rusztowaniem w którym odległość pomiędzy warstwami wynosiła 0,5 mm, a średnica porów 0,07 mm. Drugim rozwiązaniem było rusztowanie o przesuniętej podwójnej strukturze, w których odległość pomiędzy warstwami wynosiła 0,25 mm, przy tożsamej średnicy porów. Według autorów sukces związany z otrzymaniem funkcjonalnego rozwiązania zależy od przyjętego materiału, a zaproponowane konstrukcje skutecznie pozwalały na właściwą proliferację komórek kostnych.In Organogenesis, 9 (4), 239-244, 2013, a rectangular solution made of PLA with various design features was indicated. Two scaffolding solutions were proposed. The first scaffold was a scaffold with a distance between the layers of 0.5 mm and a pore diameter of 0.07 mm. The second solution was a scaffold with an offset double structure in which the distance between the layers was 0.25 mm with the same pore diameter. According to the authors, the success associated with obtaining a functional solution depends on the adopted material, and the proposed structures effectively allowed for the proper proliferation of bone cells.

W Journal of Biomedical Materials Research, 105 (2), 431-459 przedstawiono przegląd najczęściej stosowanych materiałów na potrzeby wytwarzania rusztowań kostnych. Wśród materiałów polimerowych pochodzenia naturalnego znalazły się kolagen, kompozyty kolagenowo-chitozanowe, żelatyna, kompozyty kolagenowo-żelatynowe, alginat, wkłókna jedwabne. Natomiast z poliestrów alifatycznych wykonano polilaktyd-co-poliglikolid, kompozyty polilaktyd-co-glikolidu z poliuretanem lub alkoholem poliwinylowym, polilaktyd, kompozyty polilaktydu z polikaprolaktonem, lub hydroksyapatytem, polikaprolakton, poliuretan czy też polihydromaślan-co-polihydroksywalerian.The Journal of Biomedical Materials Research, 105 (2), 431-459 provides an overview of the most commonly used materials for bone scaffolding. Among the polymeric materials of natural origin are collagen, collagen-chitosan composites, gelatin, collagen-gelatin composites, alginate, silk fibers. On the other hand, aliphatic polyesters were used to make polylactide-co-polyglycolide, composites of polylactide-co-glycolide with polyurethane or polyvinyl alcohol, polylactide, composites of polylactide with polycaprolactone or hydroxyapatite, polycaprolactone, polyurethane or polyhydroxyhydroxybutyrate.

Istotą rozwiązania jest konstrukcja polimerowego modelu kości beleczkowej oraz sposób jego wytwarzania.The essence of the solution is the construction of the polymer model of the trabecular bone and the method of its production.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest sposób wykonania i model kości beleczkowej wykonanej z biodegradowalnego materiału, którego konstrukcja - struktura wewnętrzna, umożliwia uzyskanie wytrzymałości na ściskanie zbliżonej do wytrzymałości ludzkiej kości beleczkowej, tj. w zakresie 5-10 MPa.The essence of the solution according to the invention is the method and model of the trabecular bone made of biodegradable material, the structure of which - the internal structure - allows to obtain a compressive strength similar to that of human trabecular bone, i.e. in the range of 5-10 MPa.

Model kości wg wynalazku, stanowi porowata, prostopadłościenna bryła, której płaszczyzna górna i dolna ma zarys kwadratu, zaś boki mają zarys prostokąta, przy czym stosunek długości do wysokości bryły wynosi 5-1.The bone model according to the invention is a porous, cuboidal solid, the upper and lower planes of which have the outline of a square, and the sides have the outline of a rectangle, the length-to-height ratio of the solid being 5-1.

Bryła jest pusta w środku, zaś na płaszczyznach górnej xz i dolnej xz', ma rozmieszczonych symetrycznie po dziewięć sześciokątnych otworów 1, o równej długości boków stanowiących ½ wysokości bryły, przy czym otwory w górnej i dolnej powierzchni, połączone są wzajemnie pełnymi ściankami, tworząc łącznie pionowe kanaliki 2 o zarysach sześciokątnych brył.The solid is empty in the center, and on the upper xz and lower xz 'planes, it has nine hexagonal holes 1 arranged symmetrically, with sides of equal length being ½ of the height of the solid, and the openings in the upper and lower surfaces are mutually connected by full walls, forming altogether 2 vertical channels with hexagonal shapes.

Kanaliki 2, na całej wysokości wypełnione są biozgodnym materiałem polimerowym, złożonym z szeregu warstw, przy czym grubość pojedynczej warstwy wynosi 0,1 mm, a grubość ścieżki obrysu wynosi 0,4 mm.The channels 2 are filled in their entire height with a biocompatible polymer material composed of several layers, the thickness of a single layer being 0.1 mm and the thickness of the contour path being 0.4 mm.

Boki bryły stanowiące prostokątne naprzeciwległe powierzchnie yz i yz' są jednolite, przy czym grubość pojedynczej warstwy i grubość ścieżki obrysu odpowiada grubości warstwy i ścieżki obrysu kanalików wewnętrznych łączących otwory na powierzchni xz i xz'.The sides of the body constituting the rectangular opposite surfaces yz and yz 'are uniform, the thickness of a single layer and the thickness of the contour path correspond to the layer thickness and the path path of the inner channels connecting the openings on the xz and xz' surfaces.

Zaś druga para boków, stanowiących naprzeciwległe powierzchnie xy i xy', ma trzy prostokątne otwory 3, o wymiarach 4 x 1,2 mm, które usytuowane są wzdłuż boków, równolegle do płaszczyzny górnej i dolnej bryły.The second pair of sides, which are opposite surfaces xy and xy ', has three rectangular openings 3, 4 x 1.2 mm in size, which are situated along the sides, parallel to the plane of the upper and lower body.

Bryła za wyjątkiem pionowych sześciokątnych kanalików 2 łączących otwory 1, jest pusta, a wolna przestrzeń 4, umożliwia wprowadzanie i zasiedlanie komórek kostnych w jej wnętrzu.The solid, except for the vertical hexagonal channels 2 connecting the openings 1, is empty, and the free space 4 allows the introduction and colonization of bone cells inside it.

PL 238 477 B1PL 238 477 B1

Sposób wykonania modelu kości beleczkowej polega na przyrostowym kształtowaniu konstrukcji kości w procesie osadzania stopionego materiału polimerowego, przy temperaturze ekstrudera wynoszącej 200°C, oraz temperaturze stołu drukarki wynoszącej 60°C. Rusztowanie modelu kości drukuje się na 4 warstwach raftu, celem zminimalizowania uszkodzeń powierzchni dolnej drukowanego modelu kości beleczkowej.The method of making the trabecular bone model is based on the incremental shaping of the bone structure in the process of melt polymer material deposition, at the extruder temperature of 200 ° C and the printer table temperature of 60 ° C. The scaffold of the bone model is printed on 4 raft layers to minimize damage to the bottom surface of the printed trabecular bone model.

Parametry procesu pozwalają na otrzymanie polimerowych modeli kości beleczkowej, charakteryzujących się powtarzalnością geometrii oraz wytrzymałości mechanicznej.The process parameters make it possible to obtain polymer models of the trabecular bone, characterized by the repeatability of geometry and mechanical strength.

Zaletą rozwiązania modelu kości beleczkowej jest konstrukcja o wytrzymałości zbliżonej do wytrzymałości ludzkiej kości beleczkowej. Dzięki swoim właściwościom mechanicznym oraz wykonaniu z biozgodnego i biodegradowalnego materiału sprawia, że może on znaleźć zastosowanie, zarówno jako materiał podporowy w badaniach implantów, jak również jako podpora stosowana w inżynierii tkankowej.The advantage of the solution of the trabecular bone model is its structure with strength similar to that of the human trabecular bone. Thanks to its mechanical properties and made of a biocompatible and biodegradable material, it can be used both as a support material in implant research, as well as a support used in tissue engineering.

W badaniach weryfikacyjnych modelu otrzymano średnią wartość wytrzymałości wynoszącą 6 MPa, która nie uległa zmniejszeniu w procesie degradacji hydrolitycznej w okresie 4 tygodni, prowadzonej dla warunków stałocieplnego organizmu.In the verification tests of the model, an average strength value of 6 MPa was obtained, which did not decrease in the process of hydrolytic degradation over a 4-week period, carried out for the organism's warm-blooded conditions.

Zaletą rozwiązania jest konstrukcja o wytrzymałości zbliżonej do wytrzymałości ludzkiej kości beleczkowej. Dzięki swoim właściwościom mechanicznym oraz wykonaniu z biozgodnego i biodegradowalnego materiału sprawia, że może on znaleźć zastosowanie, zarówno jako materiał podporowy w badaniach implantów, jak również jako podpora stosowana w inżynierii tkankowej. Dodatkowo zaletą jest sposób wytwarzania, z zastosowaniem metody osadzania stopionego materiału, który to pozwala na wytwarzanie pojedynczych sztuk rusztowania oraz modyfikację założonej geometrii.The advantage of this solution is a structure with strength similar to that of the human trabecular bone. Thanks to its mechanical properties and made of a biocompatible and biodegradable material, it can be used both as a support material in implant research, as well as a support used in tissue engineering. An additional advantage is the method of production, using the method of melt deposition, which allows for the production of individual pieces of scaffolding and modification of the assumed geometry.

Model kości według wynalazku przedstawiono na załączonym materiale ilustracyjnym, na którym fig. 1 przedstawia model kości w widoku perspektywicznym, fig. 2 - w przekroju A-A, fig. 3 - w widoku z góry, fig. 4 - w przekroju B-B, fig. 5 - w widoku z boku.The bone model according to the invention is shown on the accompanying illustrative material, in which fig. 1 shows the bone model in perspective view, fig. 2 - section AA, fig. 3 - top view, fig. 4 - section BB, fig. 5 - in side view.

Model kości według wynalazku przedstawiono bliżej w przykładzie wykonania.The bone model according to the invention is shown in more detail in the embodiment.

Model kości wg wynalazku, stanowi porowata, prostopadłościenna bryła, pusta w środku, której płaszczyzna górna i dolna ma zarys kwadratu, zaś boki mają zarys prostokąta o wymiarach 20 mm x 20 mm x 4 mm, wykonana z biodegradowalnego materiału - polilaktydu.The bone model according to the invention is a porous, rectangular solid, hollow in the center, the upper and lower surfaces of which have a square outline, and the sides have a rectangular outline of 20 mm x 20 mm x 4 mm, made of biodegradable material - polylactide.

Na płaszczyznach bryły - górnej xz i dolnej xz', usytuowanych jest po dziewięć sześciokątnych otworów 1, rozmieszczonych symetrycznie w trzech rzędach, przy czym pojedynczy bok sześciokąta ma długości boków 2 mm, przy czym otwory górne i dolne połączone są wzajemnie ściankami o długości 4 mm, tworząc sześciokątne, przelotowe kanaliki 2 - pory.On the planes of the body - upper xz and lower xz ', there are nine hexagonal holes 1, arranged symmetrically in three rows, with a single side of the hexagon having sides 2 mm long, with the upper and lower openings interconnected by walls 4 mm long. , forming hexagonal through channels 2 - pores.

Kanaliki 2, na całej długości wypełnione są biozgodnym materiałem polimerowym, który jest tożsamy z materiałem obrysu bryły. Materiał złożony jest z szeregu warstw, przy czym grubość nakładanej, pojedynczej warstwy wynosi 0,1 mm, a grubość ścieżki obrysu wynosi 0,4 mm. Boki bryły stanowią prostokątne powierzchnie o długości 20 mm i wysokości 4 mm, przy czym naprzeciwległe powierzchnie - yz i yz' są jednolite, a grubość pojedynczej warstwy i grubość ścieżki obrysu odpowiada grubości warstwy i ścieżki obrysu kanalików wewnętrznych łączących otwory na powierzchni xz i xz', zaś druga para naprzeciwległych powierzchni - xy i xy', ma trzy usytuowane wzdłużnie, prostokątne otwory 3, o wymiarach 4 x 1,2 mm, które usytuowane są na całej długości, równolegle do płaszczyzn górnej i dolnej bryły. Przestrzeń wewnętrzna 4 bryły jest pusta, za wyjątkiem pionowych kanalików 2 łączących otwory 1.The channels 2, along their entire length, are filled with a biocompatible polymer material, which is the same as the material of the solid outline. The material is composed of a series of layers, the thickness of the applied single layer being 0.1 mm and the thickness of the contour path being 0.4 mm. The sides of the solid are rectangular surfaces 20 mm long and 4 mm high, while the opposite surfaces - yz and yz 'are uniform, and the thickness of a single layer and the thickness of the contour path correspond to the layer thickness and contour path of internal channels connecting openings on the xz and xz' surfaces and the second pair of opposing surfaces - xy and xy ', has three longitudinally disposed rectangular openings 3, 4 x 1.2 mm in size, extending along the entire length, parallel to the planes of the upper and lower bodies. The internal space 4 of the solid is empty, except for the vertical channels 2 connecting the openings 1.

Sposób wykonania modelu kości przedstawiono bliżej w przykładzie wykonania.The method of making the bone model is shown in more detail in the embodiment.

Sposób wytwarzania modelu kości beleczkowej polega na zastosowaniu technologii osadzania stopionego biozgodnego materiału polimerowego. Rusztowanie modelu kości drukuje się za pomocą drukarki 3D w technologii FFF (Fused Filament Fabrication) lub FDM (Fused Deposition Modeling). Początkowo w oprogramowaniu CAD przygotowuje się zarys modelu, który zapisywany jest do formatu STL. Następnie przy zastosowaniu oprogramowania generującego G-code tworzony jest plik odczytywany przez urządzenie drukujące. W G-code zdefiniowane są parametry drukowania, takie jak 4-warstwowy raft, grubość ścieżki obrysu wynosząca 0,4 mm, grubość pojedynczej warstwy 0,1 mm, a także temperatury ekstrudera i stołu drukarki, wynoszące odpowiednio 200°C i 60°C.The method of producing the trabecular bone model is based on the application of the technology of depositing a fused biocompatible polymeric material. The scaffolding of the bone model is printed using a 3D printer in the FFF (Fused Filament Fabrication) or FDM (Fused Deposition Modeling) technology. Initially, the CAD software prepares the outline of the model, which is saved to the STL format. Then, using the G-code generating software, a file is created that can be read by the printing device. The G-code defines printing parameters, such as 4-layer raft, 0.4 mm contour path thickness, 0.1 mm single layer thickness, as well as extruder and printer table temperatures of 200 ° C and 60 ° C, respectively .

Claims

Patent claims

1. A polymer model of a trabecular bone, characterized in that it has the form of a porous, rectangular solid, the upper and lower planes of which have a square outline, and the sides have a rectangular outline, the length-to-height ratio of the solid being 5-1, the solid is hollow, and the sides xz and xz 'i xy and xy' are filled with biocompatible polymer material composed of a series of layers, while on the upper xz and lower xz 'planes there are nine hexagonal holes 1 arranged symmetrically, with sides of equal length being ½ the height of the body, with the openings in the upper and lower surfaces, they are connected with each other by full walls, forming jointly vertical channels 2 with hexagonal solid contours, filled with a biocompatible polymer material composed of a series of layers, the sides of the block constituting rectangular opposite surfaces yz and yz 'are uniform, and the second pair of sides , representing the opposing surfaces xy and xy ', has three rectangular openings 3 situated symmetrically along on the sides, parallel to the upper and lower planes of the solid.

2. A polymer bone model according to claim 1 The method of claim 1, wherein the thickness of the single layer of biocompatible polymeric material is 0.1 mm and the thickness of the contour path is 0.4 mm.

3. A method of producing a polymer model of trabecular bone, characterized in that the scaffolding of the bone model is printed using a 3D printer from biodegradable, biocompatible polymer material, by the method of melt deposition, on a 4-layer raft, with a contour path thickness of 0.4 mm , and the thickness of a single layer is 0.1 mm, while the temperatures of the extruder and the table are respectively 200 ° C and 60 ° C.