ניתוח נכשל של פלסטיקים ביו-תרסק במכשירים רפואיים תחת לחץ מכני

מבוא לפולימרים ביו-דגרדים בהשתלות רפואיות ומכשירים

אימוץ של פלסטיקים biodegradable בתחום הרפואי מואץ במהלך שני העשורים האחרונים, מונע על ידי הצורך בתמיכה מבנית המסלקת ניתוחים משניים להסרת מכשירים. פולימרים כגון חומצה פולילאקטית (PLA), חומצה פוליגליקולית (PGA), פוליקופטרון פוליקוטרוקט פיזיולוגי (PCL), ופוליקלקטנוטים (PHA) נפוצים כעת בפצעים, לתקן את עצמם, תוך כדי לחץ כימי ארוך, ולהפחית את ההשפעות של פחמן דו-חמצני, תוך כדי לחץ כימי, ולהפחית את ההשפעות הפחתת לחץ כימי, ולהפחית את ההשפעות הגורמות לפציעות מכניות, ולהפחית את ההשפעות הגורמות לפציעות נוגדות, ולהפחית את ההשפעות של חומר נוגדות קבועות, ולהפחית את ההשפעות של חומר נוגדות, ולהפחית את רמת יעילותם, ולהפחית את רמת יעילותם של פחמן-חמצני, ולהפחית את רמת יעילותם, ולהפחית את רמת יעילותם של מחלות נוגדות, ולהפחית את רמת יעילותם של מחלות נוגדות, ולהפחית את רמת יעילותם, ולהפחית את רמת יעילותם של תרופות נוגדות, ולהפחית את הגורמות לזיהומים מכניות, ולהפחית את רמת יעילותן.

משטרי מתח מכניים התאספו בבקשות רפואיות

מכשירים רפואיים חווים מגוון רחב של עומסים מכניים שונים על ידי מיקום אנטומי ותפקוד.הבנת משטרי הלחץ האלה היא היסוד לחיזוי מצבי כישלונות בפלסטיקים ביו-דיד.

מתח Tensile ו-Compressive Stress

פצעים ומלישים כירורגיים נתונים שוב ושוב לכוחות בריידיים במהלך הסגר הפצע ותנועת הרקמות. צלחות של עצם ומברגים, מצד שני, חייבים לשאת עומסים דחוסים במהלך פעילויות של משקל. בשני המקרים, המודולו של הפולימר והכוח הניב את הכוח לקבוע אם המכשיר יפענח באופן אלסטי או מפלסטיק תחת עומס.

Cyclic Fatigue ו Dynamic Loading

מצבי קרישיווסקולריים ואפיפוסים אורתופדיים נחשפים ללחץ מחזורי מתמשך - מהתרחבות קרינה המושרה לב פוחתת או פיסול משותף. כשלון עייפות בפולימרים ביו-דידידיים בדרך כלל מתיזום פגמים מיקרו-מבניים כגון רִיק, אימפולסים, או אזורים של משקל מולקולרי נמוך.

Shear and Torsional Stress

ביישומים כמו החלפת דיסקים בין-מולאליים או עוגן נוטה, הרהר ועומסים רסאליים predominate. biodegradable פלסטיק יש לעתים קרובות כוח הרהר נמוך יותר בהשוואה מתכות, מה שהופך אותם רגישים לדיכאון או פירור בתנאים אלה.משטח גס וגיאומטריה לשחק תפקיד קריטי בהפצת מתח Shear אפילו על פני המכשיר.

כישלונם של פלסטיקים בעלי ערך ביולוגי תחת מתח

הכישלון של מכשירים רפואיים בעלי ערך ביולוגי הוא לעתים רחוקות בשל סיבה אחת.במקום, הוא נובע מהסינרגיה בין עומס מכני לבין השפלה חומרית.המנגנונים הבאים תועדו באופן עקבי בספרות.

אינציוד מיקרו-קר ותעמולה

תחת עומס Tenile או Cycracks טופס על ריכוזי מתח כגון הכללות, שריטות משטח או אזורים של גבישיות מוגברת.פעם יזמה, סדקים propagate לאורך הנתיב החלש ביותר - לעתים קרובות דרך אזורים amorphous או לאורך גבולות lamellae גבישיים (Lytras lamellae) תחת גבולות מיקרוסקופיים קטסטרופליים (Lulials) cts (Lultialds) cts) עבור מגבלות מיקרומטרים קריטיים).

בריטל סטרידור לעומת הדוכסית

המדיום ההשפלה משפיע באופן משמעותי אם מכשיר נכשל באופן מתפתל או דוקטרי. בתנאים יבשים, PLA ו- PGA מציגים התנהגות מתפתלת עם אור ארוך מינימלי לפני שבר.בסביבות מוזרות, הפלסטיזציה מורידה את טמפרטורת המעבר של הזכוכית, הגדלת הדלונות, אך גם מאיצה של השפלה הידרוליטית.זה זו יכולה להיות מנוצלת בעיצוב: חומר שנשאר לפעום בתחילה, כדי למנוע נוקשות יותר.

מתח סביבתי (ESC)

ESC מתרחש כאשר פולימר נחשף ללחץ וסוכן כימי בו זמנית. בגוף, אנזימים, לימפואידים ומין חמצן תגובתי יכולים לפעול כסוכני לחץ.לדוגמה, אלסטוממים ביולוגיים המבוססים על פוליאורתטן הוכחו להיכשל בטרם עת בנוכחות מינים חמצון ששוחררו על ידי מקרופילים.

Creep Rupture and Stresslaxation

מכשירים שמרים על מתח קבוע - כגון להקות סגר הפצע או קליפים דו-חמצני - רגישים לקרע זחילה.לאורך זמן, רשתות פולימרטיות לאט מתפוררות ומפרקות זו תחת עומס מתמשך. תגובה זו מולסטית מובילה לעיוות הדרגתי וכישלון בסופו של דבר.לחץ מתח, התופעה הפוכה, גורמת לאובדן של כוח קלפי במברגים ונפיחות, תיקון פרוגניציה יחסית לטמפרטורה גמישה ושפלת של 3 ° C.

גורמים חומריים שגורמים לכישלון מכני

התכונות הטבועות של כל פולימרים ביו-דידת מכתיבות את סף הכישלון שלה תחת לחץ מכני. Modifying תכונות אלה באמצעות copolymerization, ערבוב או עיבוד יכולים לשנות מצבי כישלונות.

משקל מולקולרי ופולידיספרסיות

פולימרים מולקולריים גבוהים יותר מציגים צפיפות סבך גבוהה יותר, אשר משפר את הקשידות ואת עיכובים סדקים propagation. עם זאת, שיעורי ההשפלה גם עלייה במשקל מולקולרי כי יש יותר אג"ח ester זמין עבור הידרוליזה. A איזון חייב להיות פגע: משקל מולקולרי של 100-200 kDa הוא אופייני עבור עומס PLA שתלים. פוליפרסיות (PDI) מעל 2.0 רחב של שרשראות לא צפויות, וכשלונות מוביל להיכשל.

קריסטל ואוריינטציה

אזורי קריסטל הם עמידים יותר להתקפה הידרוליטית אבל הם גם יותר מלוטש. Semicrystalline פולימרים כמו PLLA ו- PCL לפתח מבנים pherulite במהלך הקירור.השבר הקריסטלי (בדרך כלל 30-60% עבור PLLA) יכול להיות גדל באמצעות annealing, אשר משפר התנגדות מצמררת אך מפחית את העוצמה.

תוספות ומלאים

חלקיקים, סיבים, ופלסטיקרים מוסיפים לשנות ביצועים מכניים. חלקיקי הידרוקספיט משפרים את המודולולים הדחוסים עבור ברגים העצם אבל יכול לפעול כמו העלאת מתח אם מפוזרים בצורה גרועה. ננוקליות להפחית את יכולת הגז אבל אולי לרסק את המרחץ על טעינה גבוהה.אופטימיזציה של תוכן מלא טיפול על פני השטח נדרש כדי למנוע כשלון מוקדם.

גורמים סביבתיים ופיזיולוגיים

הסביבה המארחת מטילה תנאים המזרזים או משנים מנגנוני כישלונות מעבר לאלה שנראו במבחנים מעבדה מדומים.

הידרוליטיזה Kinetics ב Vivo

פוליסטרים בעלי ערך ביולוגי מתפוגג בעיקר באמצעות פיסול הידרוליטי של אג"ח ester.תגובה זו היא מדבקת על ידי pH חומצי - המום ברקמות מחוסמות - ומדכא בתנאים בסיסיים.חזית ההידרדרות לעתים קרובות מתקדמת מן השטח בפנים, אבל אוטוקטאלי יכול לגרום פנימי חלולים אם קבוצות קצה חומציות הופכות לכודות בסעיפים עבים זה בתוך המבנה הפנימי חלש בתוך ההתמוטטות הפנימית של 2 קריסה עמוקה יותר מ 2 קריסה חיצונית.

« zymatic Degradation

למרות הידרוליזה שולטת, אנזימים כגון ליפיז, esterases, ו proteases יכולים לשפר את שיעורי ההשפלה עבור פולימרים מסוימים. פולי (e-caprolactone) (PCL) הוא רגיש במיוחד להתקפה zymatic, עם עלייה של עד עשר פעמים בנוכחות של Rhizopus delemarase.אפקט זה הוא מקומי יחסית ליד פני השטח, גורם מרכזי אובדן חומרים כי הם יכולים לפעול כמו גם חוסר ריכוז.

טמפרטורה ועומס מכני

בטמפרטורת vivo (3 ° C) הוא מתחת ומעבר הזכוכית של PLA (55-60 ° C) אבל מעל זה של PCL (- 60 מעלות צלזיוס) כשפל, ירידה במשקל מולקולרי מוריד את ה-Tg, פוטנציאל להביא אותו לטווח הפיזיולוגי.בשלב זה, החומר הופך גומיי ומאבד יציבות ממדית.

שיטות אנליטיות לכישלונות

ניתוח כישלונות שיטתי מבוסס על שילוב של בדיקות מכניות וחקירה מיקרו-מבנהית.

פרוטוקולי בדיקה מכנית של Vitro

ASTM F1634 (Standard Test Method for In Vitro Degradation of Resorbable plastics) מספק מסגרת לביצוע בדיקות Tenile על דגימות degraded.דגימות שקועות ב-Putphos-buffered saline ב 37°C עבור מרווחים שנקבעו מראש, ולאחר מכן נבדק עבור כוח חיוורי, מודלוס, ו- elongation (ASTMF75) לעתים קרובות מ-S-RHS-R.

סריקת אלקטרון מיקרוסקופיה עם אנרגיה Dispersive X-ray (SEM/EDX)

משטחים של Fracture נבדקים תחת SEM כדי לזהות תכונות כגון סימני האקר, קווי הנהר, או דיפרנים המצביעים על כיפוף, דוקטריה, או מצבי כישלונות עייפות. EDX מזהה שינויים אלמנטריים מתוספים או סידן פוספטציה (biomineralization) אשר עשויים להשפיע על סדקים.

ניתוח מכני דינמי (DMA)

DMA מודדת את אמצעי האחסון, אובדן מודלוס, ו-Tan delta תחת לחץ אוסקטוריטורי.טכניקה זו חושפת את טמפרטורות המעבר ואת המאפיינים לחות של פולימר הדה-דרגינג. A Shift בשיא המעבר הזכוכית לטמפרטורות נמוכות יותר מצביע על ירידה במשקל מולקולרי ופלסטיק מוגבר. DMA יכול גם לזהות את תחילתו של microcracking דרך ירידה פתאומית ב-aculus לפני שכישלון גלוי.

סריקה שונה Calorimetry (DSC) ו- X-ray Diffraction (XRD)

DSC עוקב אחר שינויים בקריסטליות במהלך השפלה, בעוד XRD מזהה צורות גביש ספציפיות (למשל, α- ו- β-form קריסטלים ב-PLLA) גדל בגבישיות לאורך זמן (בשל ההשפלה העדיפה של אזורי amorphous) תואם עם שפע גבוה.הנתונים האלה עוזרים לחזות כאשר מכשיר עשוי לעבור מדוקטריון לכישלונות.

אסטרטגיות עיצוב לשיפור יכולת מכנית

כשלון מיזמי דורש גישה רב-מכוונת המתייחסת לחומר, גיאומטריה, וייצור.

משחק ומיזוג

(בפרק או חסם copolymers של L-lactide, גליקוליד ו ε-caprolactone מאפשרים כוונון של קצב ההשפלה ונכסים מכניים.לדוגמה, PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid) עם 85:15 ל-to-glycolide לא הציגה מעל 2-3 חודשים עם כוח ראשוני עם PLA עם השפעה של 20 גרם) ו-A {\displaystyle Lpvt (%) אך לא הוכח על ידי ירידה של 2-A {\displaystyle LpvpvpvpäpL2-L2-L2-L.

המונחים: reinforcement

שילוב סיבים רצופים או קצרים של זכוכית, פחמן, או פולימרים ביו-ראביים יכול להגדיל באופן דרמטי את כוח ואת חיי עייפות.עצמים-reinforceed מורכב (למשל, סיבים PLLA משובצים במריצה PLLA) לספק נוקשות גבוהה תוך שמירה על ביודידות מלאה.האתגר המרכזי הוא להבטיח לקות סיבים נאותה, מושג לעתים קרובות באמצעות טיפול פלסמה או הסתברותי משמש עכשיו.

אופטימיזציה של אינטגרטור טופולוגיה

ניתוח אלמנט סטטי (FEA) משמש לזיהוי ריכוזי מתח בגיאומטריה המכשיר והפצת חומר כדי להפחית את הלחץ שיא.לדוגמה, הוספת צווארון או מילוי שורש חוט של בורג העצם יכול להפחית את הלחץ עד 40%. Lattice ומבנים ⁇ - ניתן להתגבר על מחזורי ייצור תוספת - מאפשר קשיחות מותאמת תוך יצירת נוזל בפירוק אוטומטי של LTF: LT2 000.

הנדסה וחיפוי

ציפויים דקים של פולי(אתילן גליקול) או זכוכית ביואקטיבית יכולים לעכב את ספיגה במים על פני השטח, להפחית את שיעור ההשפלה הראשוני. ציפויים אורגניים כמו אלומיניום שכבת אלומיניום (Al2O3) לספק מחסום המונע סדקים מיקרו-מכטר עבור השבועות הראשונים.

הכחשה והשלכות קליניות

ניתוח הכישלון של פלסטיקים biodegradable משפיע ישירות על מסלולים רגולטוריים.המנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) דורש ראיות לביצועים מכניים לאורך תקופת השפל המיועדת.בדרך כלל, יצרנים צריכים להוכיח כי המכשיר שומר לפחות 70% מהחוזק הראשוני שלו בזמן שבו ריפוי רקמות צפוי להשלים (למשל 12 שבועות עבור שברים עצם).

כישלונות קליניים - כגון שברים של מברג מוקדמת בדרגה tibial או התמוטטות בולטת בעורקים הכליליים - כבר במעקב כדי לא מספיק של עייפות מחזורית או אפקטים סביבתיים.לדוגמה, הדור הראשון ביורסווסקים vasbleaffold (Absorb BVS) הראה שיעור גבוה יותר של טרשת עורקים מאוחר עקב אי-שלמות לא-שלמות ואובדן דלקתי זה הוביל להתפרצות מכנית יותר של הפחתת לחץ מכנית של הפחתת הפחתת הפחתת לחץ מכנית.

כיוונים עתידיים בניתוח כשל

טכניקות להתאמה מתקדמות מתעוררות לספק תובנה עמוקה יותר של מנגנוני כישלונות.במיקרוסקופיות משולבות עם מיקרו-CT מאפשר התבוננות בזמן אמת של היווצרות סדק במהלך בדיקות מכניות בתנאים פיזיולוגיים מדומה.אלגוריתם למידת מכונה המוכשר על נתונים גדולים של מסלולים של השפלה יכול לחזות פעמים כישלונות בהתבסס על תכונות חומרים ראשוניות ופרמטרי טעינה.בנוסף, פיתוח של חומרים פולימרים דמויי צורה ביו-מדומים-מדומים אשר משתנים בתגובה לטמפרטורה חזקה כדי לחזק את עצמם לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, יכול לחזק את הטמפרטורות בטוחות או לטמפרטורה.

אזור מבטיח נוסף הוא השימוש של פולימרים עצמיים המכילים microcapsules של סוכני ריפוי. כאשר סדקים טפסים, כמוסות קרע ושחרור מונומר כי פולימרים כדי לאטום את הפגם. בעוד עדיין ניסיוני עבור מערכות ביו-דידות, תוצאות מוקדמות להראות חיי עייפות מורחבים במפרקים מבוססי PCL.

לסיכום, ניתוח הכישלון של פלסטיקים ביו-דידלדיים תחת לחץ מכני הוא משמעת רב-פעמית שמושכת על מדע פולימרים, מכניקה, ביולוגיה ופרקטיקה קלינית. על ידי זיהוי שיטתי של מצבי כישלונות - מסלק, מצמרר, לחץ סביבתי סדקים - ואת גורמי השליטה שלהם, מהנדסים ומרפאות יכולים לעצב מכשירים התומכים באופן אמין רקמת הריפוי תוך שמירה על תחום ממשיך להתפתח, על ידי הביקוש לדרישות המתוחכמות יותר ויותר של הגוף המכני.