osso artificiale per test in laboratorio su dispositivi odontoiatrici
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* Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale, Università degli Studi di Genova
OSSO ARTIFICIALE PER TEST IN LABORATORIO SU DISPOSITIVI
ODONTOIATRICI
ELISA ROSSI, Alberto Lagazzo*, Fabrizio Barberis*
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Alternativa all’osso animale o alle ossa artificiali per test su dispositivi odontoiatrici prima del lancio sul mercato
- PROGETTAZIONE COMPOSITO - CARATTERIZZAZIONE - APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
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APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
Valutazione TORQUE MASSIMO DI INSERIMENTO e STABILITÀ PRIMARIA di MINIVITI ORTODONTICHE
Miniviti commerciali Osstem e Tomas® (stesse caratteristiche geometriche).
STABILITÀ PRIMARIA: stabilità meccanica di un dispositivo odontoiatrico.
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TRABECOLARE
CORTICALE
TESSUTO OSSEO UMANO
Modulo elastico osso trabecolare: 200 – 450 MPa*
Modulo elastico osso corticale: 6.0 – 20 GPa**
*Lezioni Ossa e Denti, www.ingbiomedica.unina.it/ingbio, Oct. 2014 **T.M.G.J. van Eriden et al., Biomechanics of the mandible, 1 1(1):123 - 136 (2000) Crit Rev Oral Biol Med
POROSO
COMPATTO
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SUPPORTO: PMMA - Modulo elastico 2.4 GPa - Lavorabilità
- Monomero MMA e prepolimero PMMA in rapporto 2:1 - Perossido di Benzoile – attivatore radicalico (4 wt.%) - NN-dimetil-paratoluidina – catalizzatore (0.8 wt.%)
PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - progettazione
COME OTTENERE LA POROSITÀ? POROGENO SACRIFICALE
BLOWING AGENT
POROGENO: SACCAROSIO* - 𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠 ≈ 𝜌𝑃𝑃𝑃𝑃 - Assenza di interazioni con PMMA - Granulometria facilmente modificabile - Solubilità in acqua
Porosità media dell’osso trabecolare umano: 50 - 90 vol.%** Campioni PMMA – 50 e 70 vol.% saccarosio
* S. Scaglione et al., A composite material model for improved bone formation, Journal of Tissue Eng Regen Med. Ott 2010; 4(7): 505-513 ** Rapporti ISTISAN, IIS, 2015
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PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - progettazione
Requisiti stampo: - Forma congrua con i test da
eseguire sul campione - Assenza di interazioni con il
PMMA - Facilità di estrazione - Riproducibilità
Siringhe adattate così da avere compressione omogenea
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Campione Modulo elastico medio (MPa)
Dev. Std.
50 vol.% porosità
216.2 9.3
70 vol.% porosità
49.3 5.8
PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - caratterizzazione Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
9 campioni testati per ogni porosità nominale
PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE: PMMA – 50 VOL.% SACCAROSIO
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PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - progettazione
PMMA PLA RESINA EPOSSIDICA
Necessità di modulo elastico nell’ordine dei 10 GPa MATERIALE POLIMERICO COME MATRICE
Allumina 50 vol.% Allumina 15 vol.% ATH* 50 vol.%
Monetite 10 vol.% Monetite 1 vol.%
Allumina 50 vol.% Allumina 15 vol.% ATH* 50 vol.%
MATERIALE CERAMICO COME RINFORZO
*ATH = Idrossido di alluminio
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PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - progettazione
PMMA + 15 vol.% allumina
Modulo elastico medio
(GPa)
Dev. Std.
3.3 0.4
Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
Requisiti: - Modulo elastico (6 – 20GPa) - Riproducibilità - Facilità di realizzazione
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PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - caratterizzazione Test a flessione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10 mm/min
Modulo elastico medio (GPa)
Dev. Std.
10.5 0.4
POLIMERIZZAZIONE: 1 GIORNO EVOLUZIONE DEL POLIMERO (CROSSLINKING)
PMMA + 15 vol.% allumina
8 campioni testati
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PROTOTIPO OSSO ARTIFICIALE – processo
PMMA + 50 vol.% saccarosio PMMA + 15 vol.% allumina
COME UNIRLI? Spessori corticale:
1 mm 1.5 mm 2 mm
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OSSO ARTIFICIALE BoneSim™ - caratterizzazione
COMPOSIZIONE BONE BLOCKS BoneSim™: - Poliuretano - Osso equino
* Valori riferiti a prove statiche a flessione
Modulo elastico medio (GPa)*
Dev. Std.
1.5 0.1 Modulo elastico 2.8 GPa*
ANALOGO OSSO TRABECOLARE
ANALOGO OSSO CORTICALE
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Valutazione torque massimo di inserimento (MIT) miniviti
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
*
*
- Osstem MIT maggiore di Tomas®
- MIT prototipo più
simile a MIT osso suino rispetto a BoneSim™
- Diminuzione MIT per
spessori di corticale maggiori:
MICROCRACKING
BoneSim™
Osso Suino
PROTOTIPO
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
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Valutazione stabilità primaria miniviti
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
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* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA Valutazione stabilità primaria miniviti
PROTOTIPO
Osso Suino
- Tomas®: torque e stabilità migliore
- Osstem: andamento stabilità in accordo con ipotesi microcrack
*
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- Prototipo con prodotti facilmente lavorabili e a basso costo; - Densità di trabecolare e spessore di corticale facilmente
modificabili; - Materiale non soggetto a rapido degrado o trattamento specifico; - Buona ripetibilità.
CONCLUSIONI e SVILUPPI FUTURI
PROTOTIPO BoneSim™ Mandibola e mascella
Osso trabecolare
0.21 GPa 1.5 GPa 0.2 – 0.45 GPa
Osso corticale 10.5 GPa 2.8 GPa 6 – 20 GPa
- Crosslink corticale; - Possibile applicazioni in ortopedia (con opportune modifiche del
materiale), simulazione osso patologico; - Impiego nella formazione di personale.
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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POROSITÀ - verifica
Blu di Metilene e tensioattivo
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POROSITÀ - verifica
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑉𝑠−𝑉𝑉
In cui: 𝑉𝑠 è il volume del campione 𝑉𝑆 = 𝜋𝑝2ℎ,
V è il volume del campione non poroso 𝑉 = 𝑚𝑠𝜌𝑃𝑃𝑃𝑃
Per i campioni al 50% teorico la porosità media è del 57.5% (dev. std 7%). Per i campioni al 70% teorico la porosità media è del 72.8% (dev. std 10.5%).
Calcolo porosità in volume
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POROSITÀ – scioglimento porogeno
Composto polimerizzato in acqua calda, processo di scioglimento del saccarosio estremamente lungo
LISCIVIAZIONE: provino in acqua calda in beuta a coda, cicli di bassa pressione.
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PROTOTIPO CORTICALE – test a compressione
Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
PMMA + 15 vol.% allumina
Modulo elastico medio (GPa)
Dev. Std.
3.3 0.4
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PROTOTIPO CORTICALE - flessione DMA
𝐸𝑑𝑑𝑑 =2𝜋𝜋𝑙2
𝜆2𝑅
2
𝜌
𝜋 = frequenza di risonanza, 𝑙 = lungh. campione, 𝜆 = coeff. modo di vibrare, 𝑅 = raggio di inerzia, 𝜌 = densità materiale.
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Osso suino
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA Valutazione torque massimo di inserimento (MIT) miniviti
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STABILITÀ PRIMARIA
PROTOTIPO Osso Suino*
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
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PROVE DI DUREZZA VICKERS
BoneSim™ PROTOTIPO
PROTOTIPO BoneSim™
Osso Suino
Durezza Vickers 280 MPa 341 MPa 306 MPa