Biological properties of porous titanium with modified surface – in vivo studies

Celem pracy była ocena biologiczna w warunkach in vivo porowatych implantów tytanowych modyfikowanych powierzchniowo ceramiką bioaktywną. Wszczepy tytanowe otrzymywano stosując metalurgię proszków, a następnie przy użyciu metod zol-żel i elektroforezy pokrywano je powierzchniowo bioszkłem, zolem wapniowo-krzemionkowym oraz hydroksyapatytem. Badania in vivo przeprowadzono na królikach nowozelandzkich. Implanty wprowadzano do łoża kostnego powstałego po usunięciu siekacza żuchwy. Na podstawie obserwacji rentgenowskich oraz mikroskopowych oceniono biozgodność materiałów. Żadna z zastosowanych modyfikacji nie wykazuje negatywnego wpływu na otaczające tkanki. Implanty łączą się bezpośrednio z kością bez otoczki łączno-tkankowej, jedynie w przypadku modyfikacji zolem wapniowo-krzemionkowym połączenie kość-implant jest nieco gorsze.The aim of the work was to evaluate the biological behaviour of porous titanium implants surface modified with bioactive ceramics. Titanium implants were obtained by powder metallurgy. Their surface was modified with: electrophoretically deposited hydroxyapatite, sol-gel coating with bioglass (CaO-P2O5-SiO2), sol-gel coating with calcium-silica. The specimens were implanted in jaw-bone of New Zealand rabbits. The implants were placed into incisor alveolus. Bio-compatibility of materials were evaluated by X-ray and SEM techniques. No modifications negatively influenced on the surrounding tissues. Implants joined with bone directly without fibrous connective tissue. Only for calcium-silica sol modified titanium the bone-implant interface was slightly weaker

Microstructural analysis of porosity-graded titanium sinters using microtomography

W pracy przedstawiono analizę mikrostruktury porowatych spieków tytanowych o budowie gradientowej przeznaczonych na implanty medyczne. Spieki z gradientem porowatości otrzymywano metodą metalurgii proszków wprowadzając różne udziały porogenu (30-50%) wzdłuż osi próbki. Na podstawie tomografii komputerowej określono porowatość, rozkład wielkości porów oraz ich wielkość w różnych obszarach spieku. Zgodnie z założeniami otrzymano spiek o wysokiej porowatości w warstwach przypowierzchniowych (43-66%) z przewagą porów otwartych oraz niskiej porowatości wewnątrz (10%) związaną głównie z porami zamkniętymi.This paper presents a microstructural analysis of functionally graded porous titanium sinters used as medical implants. Porosity-graded sinters were obtained using powder metallurgy by introducing porogen in various proportions (30-50%) along the sample axis. To determine porosity, pore size distribution and pore sizes in different sinter areas, X-ray computed tomography imaging was used. In line with assumptions, the sinter obtained displayed high porosity in near-surface layers (43-66%) with the majority of open pores, and low porosity in deeper layers (10%) with the majority of closed pores

Resorbable polymer plates in maxillofacial surgery

Praca przedstawia wstępne wyniki dotyczące otrzymywania i badań właściwości mechanicznych resorbowalnych płytek dla chirurgii twarzowo-szczękowej wykonanych z polilaktydu oraz kompozytu polilaktyd/TCP. Płytki otrzymano metodą wtrysku z biodegradowalnego, termoplastycznego poli-L-laktydu (PLLA, Biomer) oraz proszku fosforanu triwapnia (TCP, Fluka). Na maszynie wytrzymałościowej Zwick 1435 przeprowadzono badania mechaniczne. W próbie rozciągania określono wytrzymałość, moduł sprężystości, odkształcenie przy sile maksymalnej oraz na podstawie testów pełzania wyznaczono zależność pomiędzy naprężeniem a czasem zniszczenia.The presented work demonstrates preliminary results on manufacturing and mechanical properties assessment of pure PLLA and PLLA/TCP compo-site plates, as potential candidates for maxillofacial surgery application. Biodegradable, thermoplastic polymer poly-L-lactide (PLLA, Biomer) and tricalcium phosphate (TCP, Fluka) particles were applied for the samples manufacturing in injection moulding process. The plates were investigated using universal testing machine Zwick 1435 – in static tensile and creep tests. The mechanical properties (tensile strength, Young modulus, elongation) of the polymer and its composite were determined and the lifetime, performed with the scope of their potential application in osteosynthesis, were predicted

Influence of environmental factors on contact lenses properties

Nowadays contact lenses are a very common way of vision correction. To be used successfully, they must meet a number of conditions. This article describes studies on the influence of environmental factors such as low temperature (4°C), high temperature (60°C), various fluids (simulated tear fluid (STF), physiological saline, multi-purpose contact lens solution) and ultraviolet radiation on the properties (wettability, dehydration, UV-vis transmission, surface structure/ microstructure) of 3rd generation silicone hydrogel contact lenses. Contact angle measurement device, gravimetric method (measurement of dehydration), UV-vis spectrophotometry, ATR spectroscopy and SEM microscopy were used during the research. The results showed that environmental factors can influence some features of comfilcon A contact lenses. The reduction of contact lens water content, being the result of a long-term storage at high temperature, might cause changes in their elasticity, thereby sense of discomfort for the user, while storage in physiological saline causes slight decrease in visible light transmission. What is more, the temperature and fluids used for storage of silicone hydrogel contact lenses, as well as ultraviolet radiation affect the microstructure of analysed lenses

Fatigue strength tests of multifunctional resorbable composite plates in simulated biological conditions

Artykuł jest kolejną częścią prezentującą wyniki badań mechanicznych wielofunkcyjnych resorbowalnych płytek zespalających. Testy dotyczyły wyznaczenia wytrzymałości zmęczeniowej płytek ze-spalających w warunkach symulujących rzeczywiste warunki pracy. Określenie tego parametru, zwłaszcza w elementach poddawanych obciążeniom zmiennym w czasie, jest bardzo ważne ze względu na możliwość wystąpienia w materiale zmian strukturalnych np.: umocnienia odkształceniowego czy rozwoju defektów prowadzących do zniszczenia elementu. Materiały kompozytowe o osnowie polimerowej modyfikowane cząstkami ceramicznymi są stosunkowo czułe na tego typu obciążenia. Kolejnym aspektem, który musi być uwzględniony przy opisie i charakterystyce mechanicznej przedmiotowych implantów jest środowisko, w jakim się one docelowo znajdą. Temperatura, pH oraz skład chemiczny to czynniki bezpośrednio wpływające na sposób i tempo degradacji polimeru resorbowalnego. Degradacja z kolei wpływa na charakterystyki wytrzymałościowe osłabiając materiał. W prezentowanych badaniach zastosowano modelowe zespolenie, w którym rolę odłamów kostnych pełniły specjalnie przygotowane bloczki z PMMA, do których za pomocą śrub metalowych przymocowana była testowana płytka. Tak przygotowany układ mocowano w maszynie zmęczeniowej i poddawano cyklicznemu rozciąganiu. Zastosowano dwa warianty badania: pierwsze, gdzie modelowe zespolenie obciążano „na sucho” bez obecności płynów symulujących środowisko biologiczne; i drugi, gdzie modelowe zespolenie umieszczano w zamkniętym zbiorniku, wypełnionym płynem symulującym środowisko biologiczne. Jako medium zastosowano płyn Ringera podgrzewany do temperatury ~37°C.Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że płytki badane „na sucho”, cechowały się inną charakterystyką niż płytki wystawione na oddziaływanie symulowanego środowiska biologicznego.The article is part of a series of publications presenting the results of mechanical tests of multi-functional resorbable fixation plates. Tests were con-ducted on prototype plates in conditions simulating natural biological environment. The examinations were meant to assess the so-called “implant working time” or fatigue strength of the fixation plates. This parameter is particularly important in the case of elements subjected to time-varying loads due to the possibility of alterations to the material structure, strain strengthening or development of defects leading to the implant failure. Composite materials consisting in a polymer matrix modified with ceramic particles are quite sensitive to variable loads. Moreover, the complex geometry of the tested plates makes them more vulnerable to destruction with the critical cross-sections located at the fixing holes. Another key aspect is the biological environment where the implants will perform their functions. The temperature, pH and chemical composition are factors directly affecting the way and rate of degradation of the resorbable polymer. Degradation affects the strength characteristics, obviously weakening the material. The tests were performed on a model composed of PMMA blocks playing the role of bones with the tested plate attached with metal screws. The model was mounted in a fatigue machine and subjected to cyclic stretching. Two variants of the examinations were performed. Firstly, the model was tested in “dry” conditions; secondly - in a closed container filled with fluids simulating the biological environment (the Ringer’s solution heated to ~37°C used as the medium). The results revealed that the plates tested in “dry” conditions were endowed with different characteristics as compared to the plates exposed to the simulated biological environment

Biodegradable fixation plates for veterinary medicine

Niniejsza praca stanowi próbę opracowania nowych biowchłanialnych płytek zespalających dla potrzeb weterynarii dedykowanych szczególnie psom ras miniaturowych. Tego typu płytki mogą stanowić alternatywę dla implantów metalicznych. Do największych zalet proponowanych konstrukcji można zaliczyć brak konieczności usuwania ich z organizmu po wyleczeniu złamanej kości oraz ułatwioną, w porównaniu do implantów metalicznych, ocenę radiologiczną procesu gojenia ze względu na przepuszczalność zastosowanego materiału dla promieni X. Ograniczeniem stosowania płytek wykonanych z czystych polimerów resorbowalnych np. polilaktydu (PLA) są stosunkowo słabe właściwości mechaniczne. W związku z tym, w ramach poniższej pracy, zaproponowano cztery sposoby modyfikacji parametrów wytrzymałościowych i użytkowych czystego polimeru resorbowalnego. Do matrycy polimerowej z czystego PLA wprowadzono cztery rodzaje wzmocnienia: włókna węglowe, włókna poliakrylonitrylowe, drut ze stali chirurgicznej i drut magnezowy. Płytki proste sześciootworowe wykonano metodą wtrysku. Fazę wzmacniającą w postaci włókien lub drutu formowano w kształt odpowiadający obrysowi zewnętrznemu płytki. Tak przygotowane pętle umieszczano w formie wtryskowej, a następnie obtryskiwano ciśnieniowo polimerem w temp. 165-170°C. Gotowe płytki zespalające poddano badaniom wytrzymałościowym. W tym celu przygotowano krótkie drewniane wałki, do których metalowymi wkrętami przykręcano płytki (dwa wałki imitujące złamaną kość łączono jedną płytką). Następnie taki układ symulujący zespolenie kostne poddawano testom jednoosiowego rozciągania na maszynie wytrzymałościowej. Równocześnie przeprowadzono badania in vitro w środowisku wodnym. Określono zmiany pH, przewodności elektrycznej oraz zmiany masy i wytrzymałości po 6 tygodniowej inkubacji. Spośród badanych materiałów najlepsze właściwości mechaniczne uzyskano w przypadku modyfikacji polimeru fazą włóknistą. Dodatkowo wprowadzenie włókien pozwoliło uzyskać korzystniejszy rozkład naprężeń i odkształceń w obrębie otworów mocujących oraz wynikający z tego efektywniejszy sposób przenoszenia obciążeń podczas jednoosiowego rozciągania.This article is an attempt to develop a new concept of biodegradable fixating miniplates for veterinary medicine, specially for toy breed dogs. Polymer-based composite fixation system can be a good alternative for widely used metallic implants because there is no removal operation needed after the bone is recovered. Moreover, the radiological evaluation of a fracture healing process is much easier and more precise due to the fact that polymers are transparent for X-rays. Low mechanical properties of pure biodegradable polymers e.g.: polylactide (PLA) is one of the biggest drawbacks. For the development of implants with better mechanical and practical properties (compared to pure polymer PLA) four types of composite materials were proposed. Polylactide matrix was reinforced with: carbon fibres, polyacrylonitrile fibres, surgical steel wire and magnesium wire. Injection moulding process was applied to fabricate a six-hole I-shaped miniplates. Firstly, reinforcing phases (fibres or wires) were shaped to copy a contour of a miniplate. Then a “loop” of a fibre bundle or a wire was placed in the mould. Plastified PLA (T = 165-170°C) was injected into the mould under a high pressure filling it and covering reinforcing phase. For mechanical testing of fabricated implants a special system was prepared to simulate “real work conditions”. Short wooden rods were used to imitate the broken bone. Two rods were linked together with a composite miniplate fixed with metallic screws and tested in uniaxial tensile strength machine. Simultaneously in vitro tests were carried out. Degradation in water environment was verified. During six-weeks incubation process changes in pH values, electrical conductivity, mass loss and mechanical properties were monitored. The performed research demonstrated that the most desirable results were recorded for the polymer modified with the fibrous phase

Mechanical characterization of multifunctional resorbable composite plate for osteosynthesis

W artykule przedstawiono badania mechaniczne prototypowego wszczepu do zespoleń kostnych w postaci resorbowalnej wielofunkcyjnej czterootworowej płytki w kształcie litery I. Testy dotyczyły gotowych implantów w symulowanych warunkach pracy, a nie normatywnych próbek (wiosło, belka) dlatego przygotowano odpowiedni modelowy schemat badawczy implantu. Składał się on z dwóch bloczków imitujących odłamy kostne, połączonych za pomocą badanej płytki, który był poddawany testom mechanicznym w izolowanych stanach naprężeniowo-odkształceniowych (jednoosiowe rozciąganie, trójpunktowe i jednostronne zginanie). Badano płytki wykonane z dwóch odmian polimeru resorbowalnego (poli-L-laktydu) oraz dwa rodzaje kompozytu, w których osnowę stanowiła jedna z odmian polimeru, a fazą modyfikującą była mieszanina mikrometrycznego proszku ortofosforanu trójwapnia i nanometrycznego hydroksyapatytu. Badano także wpływ geometrii płytek na charakterystyki mechaniczne. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono wyraźny wpływ dodatków ceramicznych na zmianę parametrów wytrzymałościowych płytek wykonanych z różnych materiałów. W przypadku polilaktydu z dopuszczeniem medycznym zaobserwowano spadek wytrzymałości przy jednoczesnym podniesieniu modułu Younga E. Ponadto geometria implantu, czyli w badanym przypadku lokalizacja żeberka wzmacniającego, wpływała na uzyskane wyniki. Lepszymi parametrami cechowały się płytki z żeberkiem wzmacniającym na górnej stronie płytki. Ponadto podczas testów zginania stwierdzono, że przy tego rodzaju geometrii płytki pęknięcie lokalizuje się poza przekrojem krytycznym, a więc taka konstrukcja jest bardziej bezpieczna. Z grupy przebadanych prototypów, jako najlepsze, wybrano płytki kompozytowe PL38/TCP/HAp, wykonane z poli-L-laktydu medycznego, modyfikowanego mieszaniną proszków ceramicznych z żeberkiem wzmacniającym na powierzchni górnej. Mogą one znaleźć zastosowanie w osteosyntezie, w miejscach które nie są narażone na zbyt duże obciążenia mechaniczne. Do tej grupy zaliczyć można kości w obrębie twarzoczaszki oraz kości krótkie ręki. Zaleca się przy tym zastosowanie usztywniających opatrunków zewnętrznych.The article presents the mechanical properties of prototype multifunctional four-hole, I-shaped plate made of resorbable composite and used for osteosynthesis. Multiple tests were conducted on ready-to-use implants and run in simulated real-working conditions. A special customized test stand was constructed for the sake of this research. The model of the osteosynthesis consisted of two rectangular pieces of plexiglas joined together by means of the tested plate. Durability of the physical model was mechanically assessed in static uniaxial tensile, three-point bending, one-side bending tests. Two types of resorbable polymers (poly-L-lactide) and two types of composites based on these polymers were considered. The composites were modified with a combination of two types of bioceramic: micrometric tricalcium phosphate and nanometric hydroxyapatite. The relation between the geometry of the plate and its mechanical characteristics was also investigated for all the tested materials. The test results proved that incorporation of bioceramic modifiers into the polylactide matrix influences the mechanical behaviour of the tested bone plates. The composite based on FDA approved polylactide (PL38) revealed the strength decrease while the Young modulus increased at the same time. The mechanical parameters were also dependent on the geometry of the plate (localization of a stiffening rib). Better results were obtained for the plates with a stiffening rib located on the upper side of the plate. What is more, the three-point-bending test revealed that in such a case the crack line moved away from the critical cross section, making such a plate more reliable. The best parameters were achieved for the three- -component plates (PL38/TCP/Hap) with a stiffening rib on the upper side. They can be potentially applied for osteosynthesis of the bones submitted with rather low loads, e.g. craniofacial bones, metacarpal bones or phalanges. An external stiff stabilisation (a plaster cast) is recommended as an additional support and prevention

Recent trends in surface modification of the titanium biomaterials used for endoosseus dental implants

Celem pracy była charakterystyka współczesnych poglądów na zagadnienie warstwy wierzchniej i jej roli w procesie osteointegracji wszczepów stomatologicznych. Przedstawiono parametry powierzchni, które bezpośrednio wpływają na inicjację procesu integracji implantu oraz jego późniejsze funkcjonowanie w organizmie. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu struktury powierzchni implantów dentystycznych oraz metodom modyfikacji umożliwiającym funkcjonalizację powierzchni z wykorzystaniem biomolekuł. Współczesne kierunki inżynierii powierzchni skupiają się na zwiększeniu biozgodności materiałów metalicznych i intensyfikacji procesów osteointegracji w oparciu o zasady biomimetyki. Liczne badania in vitro, in vivo oraz wstępne badania kliniczne wskazują, że uzyskanie nanotopografii zapewnia szybszą osteointegrację implantów dentystycznych w porównaniu ze standardowymi wszczepami o powierzchni mikrostrukturalnej. Zastosowanie biomolekuł takich jak: kolagen, sekwencje peptydowe lub czynniki wzrostu przyspieszają procesy wgajania się implantów, co zostało również potwierdzone w badaniach in vitro oraz in vivo. W pracy poruszony również został problem biofilmu bakteryjnego, który jest szczególnie zauważalny w implantologii stomatologicznej. Zjawisko kolonizacji powierzchni abiotycznych przez mikroorganizmy jest szczególnym problemem implantologii stomatologicznej. Ocenia się, że powstający na powierzchni implantu biofilm bakteryjny jest jedną z najczęstszych przyczyn utraty wszczepu. Dlatego też obserwuje się dążenia do opracowania nowych metod walki z zakażeniami okołowszczepowymi, wśród których szczególną uwagę poświęca się odpowiedniej modyfikacji warstwy wierzchniej. Obecnie uważa się więc, że oprócz osiągnięcia dobrej osteointegracji, biomateriały powinny wykazywać właściwości umożliwiające zahamowanie adhezji bakterii, a tym samym formowania biofilmu, który może być przyczyną utraty implantu.The aim of this work is to present modern directions in the field of surface layer and its role in the process of dental implants osseointegration. The subject of analysis were parameters of the surface that directly initiate process of integraton of the implant with the tissue and its further functioning in the body. The thorough attention was paid to the micro- and nanostructure of dental implant surface and the methods of its modification using biomolecules in order to make the implant functional. Another subject of the study was bacterial biofilm formation, which is particularly noticeable and dangerous in dental implantology. Having read the literature about modifications of titanium biomaterials surface, it can be concluded that modern trends in surface engineering focus on maximizing the biocompatibility of implants and their osseointegration on the basis of biomimetics. Numerous in vitro, in vivo tests and clinical research suggest that using nano-topographic materials results in faster osseointegration of dental implants in comparison with standard microstructure implants. Furthermore, introducing such biomolecules like collagen, peptide sequences or growth factors accelerate the implant healing process, which has been proven by in vitro and in vivo tests. The long-term implant functionality might also depend on using additional agents which prevent bacterial adhesion and subsequent formation of biofilm, leading to the implant loss