1
III.1 Proiectare și realizare instalație pentru matricea organică din
biocompozitul ranforsat cu fibre de sticlă. Partea a doua
Procedeul cercetat
În urma rezultatelor prezentate în faza precedentă şi a cercetărilor efectuate în faza actuală
a proiectului, s-a optat pentru o compoziţie a matricei folosită la obţinerea compozitelor
armate cu ţesatură de fibră de sticlă pe bază de monomer Bis-GMA purificat, dimetacrilat de
trietilenglicol (DMTEG), polimetacrilat de metil (PMMA), hidroxiapatită (HA), ZrO2 ca
element radioopacizant, gentamicină şi respectiv componentele sistemului chimic de iniţiere a
polimerizării. S-au preparat două matrici sub formă de paste de vâscozitate mică, una
conţinand iniţiatorul de polimerizare, peroxidul de benzoil (POB), iar cealaltă conţinând
acceleratorul de polimerizare, N,N dididroxietil-p-toluidina (DHEPT).
Instalaţia de sinteză pentru matricea conţinând acceleratorul de polimerizare DHEPT
(Pasta A-Bază) este prezentată în schema de mai jos:
Figura 1 . Schema instalaţiei de sinteză pentru matricea conţinând acceleratorul de
polimerizare DHEPT (Pasta A-Bază)
III.2 Realizarea modelului virtual al implantului personalizat la specia de
animale de laborator prin tehnologia CAD/CAM și "rapid prototyping"
Modelul virtual al implantului personalizat destinat reconstrucției defectelor craniene
mari/complexe reprezintă forma electronică, tridimensională, a viitoarei piese finite
implantabile. Pentru realizarea acestuia s-a pornit de la modelul virtual al defectului osos al
calotei craniene, în formă complexă, cu o dimensiune (suprafață) care îl înscrie în defectele
critice (neregenerabile spontan prin procese de osteogeneză), reconstruibile doar prin
aplicarea unor implanturi (fig. 2).
1 BisGMA
purificat
DHEPTDMTEG
BHT
3
2
t=23 grade
30 min
t=23 grade
30 min4
Amestec de
monomeri
pentru pasta A 5
6
Matrice obtinuta pentru
ranforsarea cu tesatura
din fibra de sticla
(Pasta A-baza)
Gentamicina
ZrO2HA
LEGENDA:
1. Vas de depozitare
2. Reactor de amestecare
3. Reactor de amestecare
4. Robinet
5. Malaxor mecanic
6. Vas de depozitare
PMMA
2
Fig 2. Modelul virtual al defectului osos al calotei craniene, în formă complexă
Pentru proiectarea computerizată a implantului personalizat s-a utilizat un program
dedicat, 3-matic®, vesiunea Research 10.0, (Materialise N.V., Leuven, Belgia). Implantul a
fost conceput astfel încât să reconstruiască fidel forma tridimensională a calotei craniene
excizate inițial și să intre în contact intim cu marginile defectului osos produs (fig. 3)..
Pentru a realiza osteotomia calotei craniene la animalele de experiență, care să respecte
întocmai dimensiunea și forma implantului personalizat ce va fi implantat, s-au conceput
șabloane de tăiere care să ghideze osteotomia. Aceste șabloane au prezentat la interior
defectul osos de reprodus (fig. 4).
Fig. 3. Implantul personalizat proiectat
computerizat
Fig. 4. Șablonul de tăiere pentru ghidarea
osteotomiei
Modelul virtual al implantului personalizat precum și al șablonului de osteotomie au
fost convertite în format .stl. și trimise partenerului P2 pentru dezvoltare ulterioară.
III.3 Elaborarea de modele experimentale de implanturi personalizate, prin
construirea de structuri multistrat pe modelele master fabricate prin FRP
In colaborare cu coordonatorul proiectului UMF Cluj-Napoca, a fost selectată o formă
complexă a unui implant cranian, care să poată fi apoi testat pe model animal (iepure).
Figura 5 ilustrează craniul fabricat prin sinterizare selectivă cu laser (SLS) la UT Cluj,
modelul master (fabricat tot prin tehnologia SLS) pentru defectul selectat în acest studiu de
caz şi implantul personalizat fabricat din noile materiale compozite, utilizând modelul master.
Detalii din cavitatea formei implantului sunt ilustrate în imaginea din mijloc.
3
Pentru fabricaţia din material compozit a implantului personalizat prezentat în figura 5
(dreapta), modelul master a fost fixat pe o placă de bază (matriţa inferioară), pe care practic s-
a format implantul personalizat, prin depunere de straturi succesive de răşină biocompatibilă
şi straturi de armare cu fibră de sticlă, alternativ. Matriţa superioară cu care s-a calibrat forma
superioară a implantului, s-a fabricat prin tehnologii RP (Rapid Prototyping), utilizând tot
modelul master, fabricat prin SLS.
Fig. 5. Fabricarea de modele experimentale de implanturi personalizate, din noul
compozit
S-au fabricat 6 implanturi personalizate din noile materiale compozite, conturul
exterior urmând a fi decupat cu precizie prin tăiere cu jet de apă, utilizând echipamentul de tip
OMAX, disponibil la UT Cluj. Aceste 6 implanturi din compozit (ilustrate în figura 6), au fost
utilizate pentru testarea pe model experimental animal (in vivo).
Fig. 6. Formarea implanturilor şi decuparea precisă prin tăiere cu jet de apă (OMAX)
III.4. Determinarea caracteristicilor structurale a compozitului armat cu
fibre de sticlă
III.4.1. Preparea compozitelor armate cu fibra de sticlă
Tabel 1- Compoziţia pastelor de FRC, tratamentul termic aplicat precum şi solventul utilizat
pentru extragerea monomerului rezidual
Cod
Probă
Matrice organică
HA
%
ZrO2
%
Gentamicină
%
Tratament
termic
Solvent Bis-
GMA
%
TEGDMA
%
PMMA
%
1A 35,64 23,76 - 6,6 12 22 - cloroform
2A 35,64 23,76 - 6,6 12 22 1000C, 2
ore
cloroform
3A 35,64 23,76 - 6,6 12 22 - Alcool
4
etilic
4A 35,64 23,76 - 6,6 12 22 - Acetonă
1B 17,82 23,76 17,82 6,6 12 22 - cloroform
2B 17,82 23,76 17,82 6,6 12 22 1000C, 2
ore
cloroform
3B 17,82 23,76 17,82 6,6 12 22 - Alcool
etilic
4B 17,82 23,76 17,82 6,6 12 22 - Acetonă
În vederea investigării SEM, a determinării monomerului rezidual şi respectiv a
cantităţii de gentamicină s-au obţinut epruvete în matriţe de teflon cu diametrul de 15 mm şi
înălţimea de 1 mm. Fiecare compoziţie, formulată în sistem pastă-pastă, a conţinut o pastă
bază (A) şi o pastă catalizator (B).
Pastele de tip A au avut în componenţa matricei organice acceleratorul de polimerizare
al sistemului chimic de iniţiere polimerică - 1% N,N-dihidroxietil-p-toluidina (DHEPT), iar
pastele de tip B au inclus iniţiatorul de polimerizare chimică - 1% peroxid de benzoil (POB),
ambele raportate la cantitatea de pastă.
După introducerea în matriţe a pastei A, a ţesăturii de fibră de sticlă T1, şi respectiv a
pastei B, în straturi succesive, pe suprafaţa liberă a matriţei s-a plasat o lamelă de sticlă peste
care s-a aşezat o greutate de 100 de grame. Timpul de întărire a fost de 20 de minute. Fiecare
probă a fost cântărită la balanţa analitică şi plasată într-o cutie compartimentată în vederea
evitării confundării probelor între ele.
III.4.2. Determinarea monomerului rezidual
Probele de FRC întărite, cântărite în prealabil s-au imersat în 10ml solvent, timp de 8
ore la temperatura camerei. S-au folosit trei tipuri de solvenţi: acetonă, alcool etilic şi
cloroform în vederea îndepărtării monomerului rezidual. Probele s-au extras din solvent cu
ajutorul unei pensete, s-au tamponat cu hârtie absorbantă şi s-au menţinut în exicator până la
greutate constantă. Pentru determinarea monomerului rămas, nereacţionat, din fiecare FRC,
extractele au fost evaporate la vid iar rezidul a fost dizolvat în 1,5 ml acetonitril. M
Monomerul rămas nereacţionat a fost înregistrat pe un cromatograf lichid de înaltă
performanţă HPLC Agilent 1200 (descris în faza anterioară a proiectului). S-a folosit faza
mobilă ACN (A), H2O (B) gradient, iniţial A (50%)-B (50%) final A(80%)- B(20%) în timp
de 15 minute, şi faza staţionară: coloană LICHROSORB RP 18, 5, 25x0,46 cm (TRACER,
TEKNOKROMA), temperatura 210C, detectie DAD la 195 nm (monomeri tip Bis-GMA) si
203 nm (HEMA si TEGDMA). S-au realizat trei determinări paralele a monomerului rezidual
din fiecare compoziţie de FRC. Mai jos sunt prezentate cromatogramele HPLC ale extractelor
probelor de FRC investigate:
6
Fig. 7. Cromatogramele HPLC ale extractelor probelor de FRC investigate
Pe baza curbelor de etalonare şi a cromatogramelor HPLC prezentate, s-au determinat
cantităţile de monomeri extraşi din compozitele FRC întărite. Procentele de monomeri Bis-
GMA şi TEGDMA extrase, raportate la cantităţile de monomer corespunzator introduse în
amestecurile de monomeri iniţiale sunt arătate în tabelul 2:
Tabel 2- Cantităţile de monomeri extraşi din compozitele FRC întărit
Probă BisGMA
iniţial
[g]
BisGMAextras
[mg/2mL]
BisGMA
extras
%
TEGDMA
iniţial
[g]
TEGDMA
[mg/2mL]
TEGDMA
extras
%
1A 0,068 1,168 1,7 0,045 0,709 1,6
2A 0,068 1,120 1,6 0,045 0,466 1
3A 0,058 0,258 0,4 0,039 0,431 1,1
4A 0,062 0,812 1,3 0,041 0,753 1,8
1B 0,030 3,636 12,1 0,030 4,302 14,3
2B 0,030 0,240 0,8 0,030 0,276 0,9
3B 0,028 0,056 0,2 0,028 0,325 1,2
4B 0,039 0,985 2,5 0,039 1,724 4,4
III.4.3. Determinarea cantităţii de gentamicină eliberată în timp din FRC
După extracţia monomerului rezidual fiecare probă a fost recântărită şi imersată în 1,5
ml soluţie PSB. Probele imersate în PSB au fost menţinute pe o baie de apă termostatată, la
temperatura de 37ᵒC timp de 24 de ore. După 24 de ore, fiecare pastilă s-a scos din PSB cu
ajutorul unei pensete, s-a tamponat cu hârtie absorbantă şi s-a imersat într-o soluţie nouă de
PSB, unde s-a menţinut încă 24 ore, s.a.m.d.. Studiul s-a realizat pe o perioadă de 12 zile,
făcându-se zilnic măsurători la cromatograful lichid de înaltă performanţă (denumire
comerciala, producator, tara de origine) pentru urmărirea cantităţii de gentamicină eliberată
(după metoda descrisă în faza precedentă a proiectului).
7
În figurile 8 şi 9 se prezintă cantitatea cumulată de gentamicină eliberată (mg) timp de
12 zile după extracţia monomerului rezidual din probele FRC.
Fig.8. Cantitatea cumulată de gentamicină eliberată în timp din probele A1-
A4
Din figura 8 se poate observa că cea mai mare cantitate de gentamicină se eliberează
în cazul probei A4 stocată în acetonă, urmată de proba A3 imersată în alcool etilic. Probele
menţinute în cloroform A1 şi A2 eliberează aproximativ 2/3 din cantitatea de gentamicină
eliberată de proba A4. Dintre probele A1 şi A2, proba tratată termic A2 eliberează o cantitate
mai mică de gentamicină, ceea ce conduce la ideea că prin tratament termic, odată cu
creşterea conversiei, creşte şi densitatea de reticulare care face ca o cantitate mai mică de
gentamicină să poată fi eliberată în aceeaşi perioadă de timp.
De asemenea se mai poate vedea faptul că în primele 7 zile se eliberează o cantitate
mai mare de gentamicină, până la 3,5mg în prima zi pentru A4, urmând ca în zilele următoare,
cantitatea de gentamicină eliberată să fie cu 1 sau chiar 2 ordine de mărime mai mică. După
12 zile, cantitatea cumulată de gentamicină eliberată este cuprinsă între 7,05 mg în cazul
probei A2 şi 11,38 mg în cazul probei A4.
8
Fig.9. Cantitatea cumulată de gentamicină eliberată în timp din probele B1-B4
În cazul probelor care conţin în matricea organică polimerul PMMA pe lângă Bis-
GMA și TEGDMA (fig. 9), se poate observa că pentru probele menţinute în cloroform și
respectiv acetonă (B1, B2 si B4), cantitatea de gentamicină eliberată este mai mare decât
pentru probele corespondente care conțin numai Bis-GMA și TEGDMA (A1, A2 si A4).
Acest comportament se poate explica prin faptul că substituirea unei cantităţi de Bis-GMA din
matrice cu polimerul liniar PMMA conduce la formarea unei matrici semi- interpenetrante cu
densitate de reticulare mai mică, din care poate fi eliberată o cantitate mai mare de
gentamicină. Totuşi, in cazul folosirii alcoolului etilic, se eliberează cca aceeasi cantitate de
gentamicină pentru ambele matrici organice studiate pană in ziua a zecea, urmand ca după
această zi, cantitatea de gentamicină eliberată sa crească brusc, ajungand in ziua 12-a la
valoarea pentru proba B4, menţinută in acetonă.
III.4.4. Investigarea structurii suprafeţelor FRC după extracţia monomerului rezidual
După stocarea timp de 8 ore a probelor în diferiţi solvenţi si menţinerea 12 zile in PBS
pentru determinarea cantităţii de gentamicină eliberată, suprafeţele probelor au fost
investigate prin microscopie electronică cu baleiaj, utilizand un microscop electronic
INSPECT S (FEI COMPANY, tara de origine), în modul low vacuum.
Fotomicrografiile SEM obţinute pentru probele studiate sunt prezentate mai jos:
Proba 1A x 100 x 500 x 1000 x4000
Fig.10. Fotomicrografiile SEM obţinute pentru proba 1A
Corelând rezultatele obţinute pentru cantitatea de monomer rezidual extras,
cantitatea de gentamicină eliberată în timp şi rezultatele obţinute prin SEM privind textura
9
suprafeţelor probelor, propunem ca şi compoziţie pentru implant - compoziţia 4B- , iar ca
solvent de extracţie a monomerului rezidual înaintea implantării materialului – acetona.
III.5 Fabricaţia matrițelor prin tehnologii de Rapid Tooling, utilizând
modele master ale implanturilor personalizate
S-au efectuat cercetări privind dezvoltarea posibilităţilor de fabricaţie rapidă a matriţelor
prin tehnologii de pulverizare cu metal topit (Metal Spray Tooling – MST), utilizând modele
master fabricate prin tehnologii RP. Figura 11 ilustrează o pereche de astfel de matriţe
(stânga), fabricate prin MST la UT Cluj, utilizând modelul master dintre cele două
semimatriţe. Tot în figura 11 sunt ilustrate şi câteva piese de probă, fabricate prin injecţie,
utilizând matriţele MST respective.
Fig. 11. Matriţe fabricate prin Rapid Tooling (MST), la UT Cluj-Napoca
Pentru fabricarea rapidă a unor astfel de matriţe MST, s-au parcurs următoarele etape
principale:
Fixarea modelului master pe o placa din lemn şi materializarea planului de separare
dintre cele 2 semimatriţe;
Pulverizarea de metal topit peste modelul master, până se obţine o crustă metalică de
circa 1 mm grosime;
Intărirea spatelui matriţei, prin turnarea de răşini armate (cu granule de aluminiu), care
se toarnă peste stratul de metal (într-o cutie din lemn, confecţionată în jurul modelului
master);
Solidificarea matriţei, prin polimerizare în cuptor;
Analog se repetă aceste operaţii, pentru a obţine cealaltă semimatriţă.
După ce s-au stabilit detaliile tehnologiei Rapid Tooling adecvate, s-a procedat la
fabricarea prin Sinterizare Selectivă cu Laser (SLS – fig. 12), a modelelor master ale
implanturilor personalizate.
10
Fig.12. Modele master personalizate, fabricate prin SLS, la UT Cluj-Napoca
Au fost necesare mai multe seturi de încercări şi s-au efectuat teste şi cu alte metode
de fabricaţie a matriţelor şi de utilizare a acestora pentru fabricarea implanturilor din materiale
compozite. Cea mai dificilă problemă a fost aceea de poziţionare a unor distanţiere între cele
două semimatriţe, pentru a putea amplasa materialele de armare de-a lungul planului median
dintre matriţe.
III.6 Experimentarea biocompozitului selectionat in instalatia de laborator
Partea a doua
În instalaţia de laborator realizată s-au experimentat trei şarje de monomer Bis-GMA.
Pe baza acestora şi a TEGDMA în care au fost dizolvate componentele sistemului chimic de
iniţiere s-au preparat trei şarje de amestecuri de monomeri cu iniţiatorul de polimerizare POB
(amestec catalizator) şi trei şarje de amestec de monomeri cu reducătorul de polimerizare
DHEPT (amestec bază).
În cele 6 şarje de amestecuri de monomeri s-au introdus PMMA, HA, ZrO2 şi
Gentamicină. Prin combinarea ţesăturii de fibre de sticlă cu cele 3 şarje de paste bază,
respectiv cu cele 3 sarje catalizator au rezultat 9 probe FRC, cărora li s-a determinat
conţinutul de monomer rezidual şi respectiv cantitatea de gentamicină eliberată în timp de 12
zile. Rezultatele obţinute sunt prezentate în tabelul 3. În prima coloana a tabelului, codul
biocompozitelor cuprinde literele FRC, urmate de două cifre. Prima cifră desemnează şarja de
pastă bază, iar a doua cifră arată şarja de pastă catalizator.
Tabelul 3- Proprietăţile biocompozitelor FRC investigate
Cod FRC11 FRC12 FRC13 FRC21 FRC22 FRC23 FRC31 FRC32 FRC33
Bis-GMA
rezidual, %
2,50 1,94 2,05 2,38 2,70 3,40 2,72 3,01 2,15
TEGDMA
Rezidual, %
1,72 1,55 1,70 2,05 2,40 2,98 1,41 3,8 2,4
Cantitatea de
gentamicină
eliberată
după 12 zile,
mg
14,52 14,85 14,30 14,12 13,44 14,70 14,50 13,22 12,90
11
III.7 Cercetări experimentale privind posibilităţile de fabricaţie a
implanturilor, prin injecţie de materiale biocompatibile în noile matriţe
S-au efectuat cercetări experimentale privind posibilităţile de fabricaţie a implanturilor
prin injecţie, utilizând echipamentul de tip MCP-100KSA, ilustrat în figura 13. Pentru aceste
cercetări experimentale, s-au utilizat matriţele fabricate la UTC-N prin MST (Metal Spray
Tooling) şi s-a încercat injectarea de materiale biocompatibile, peste materialele de armare,
fixate anterior în cuibul matriţei.
Rezultatele acestor cercetări experimentale nu au fost la fel de bune, ca şi cele obţinute
prin metoda anterioară, când implanturile din compozite au fost formate prin depunere
succesivă a straturilor peste matriţa inferioară, calibrarea finală a grosimii implantului
realizându-se prin presarea acestuia între cele 2 matrițe, înainte de introducerea în cuptor,
pentru solidificarea prin polimerizare.
Fig. 13. Modele master personalizate, fabricate prin SLS, la UT Cluj-Napoca
Pentru derularea în condiţii optime a experimentelor de testare a noilor implanturi din
materiale compozite pe model animal, a fost necesară şi fabricarea unor implanturi etalon, din
titan, de aceeaşi formă şi dimimensiuni, ca şi implanturile din noile materiale compozite.
Pentru a putea fabrica din titan implanturile personalizate, s-a utilizat echipamentul de
topire selectivă cu laser de tip Realizer-250 (Realizer, Germania), disponibil la UTC-N.
Figura 14 ilustrează echipamentul utilizat (stânga), schema procesului SLM şi implanturile
personalizate fabricate la UT-Cluj (în partea dreaptă este ilustrat implantul din titan, fabricat
prin SLM).
Fig. 14. Fabricarea implanturilor personalizate prin SLM (Selective Laser Melting)
12
Unele dificultăţi au fost cauzate de dimensiunea prea mare a defectului selectat pentru
testarea pe model animal. S-a dorit ca acel defect să fie maxim invaziv, pentru ca testele să fie
cât mai edificatoare, dar ulterior a fost necesară reconsiderarea modelului ales pentru defect şi
micşorarea dimensiunii implanturilor personalizate, atât a celor fabricate din noile materiale
compozite, cât şi a probelor martor, fabricate din prin SLM, utilizând pulbere de titan.
Șabloanele necesare pentru decuparea defectului osos, sunt foarte importante pentru
reuşita operaţiei de implantare şi implicit pentru testarea noilor implanturi pe model
experimental animal. In proiectarea şabloanelor ilustrate în figura 15, s-a ţinut cont de lăţimea
instrumentului utilizat de chirurg, de forma şi dimensiunile şabloanelor fabricate, dar şi de
metoda de fixare a implanturilor, care trebuie să se potrivească perfect şi să se fixeze printr-o
presare uşoară. Imaginea din mijloc, ilustrează şablonul micşorat, pentru setul 2 de implanturi,
care au fost utilizate pentru testele experimentale pe model animal.
Fig. 15. Proiectarea şi fabricaţia şabloanelor, prin SLS (Selective Laser Sintering)
In etapa viitoare din cadrul proiectului PECIFCO se vor efectua cercetări pentru
demonstrarea functionalităşii şi utilităţii biomaterialelor. Se va testa functionalitatea si
utilitatea tehnologiilor de fabricatie a matritelor pentru reconstructia defectelor osoase cranio-
faciale.
III.8. Experimentarea in-vivo, pe model animal, a reconstrucției defectelor
osoase cranio-faciale de dimensiuni mari cu implanturi personalizate
fabricate prin tehnologie CAD/CAM și rapid prototyping din materiale
compozite armate cu fibra de sticlă
Protocolul inițial a vizat trepanarea unui defect osos fronto-occipital. La momentul
operator, datorită extinderii posterioare prea mari a defectului osos, la două animale de
experiență consecutive a fost lezat sinusul sagital, situație incompatibilă cu viața. S-a decis
astfel sistarea experimentului, realizarea unor noi șabloane de osteotomie și reducerea
consecutivă a ariei de trepanare osoasă dinspre zona parietală. Experimentul a fost reluat și s-a
desfășurat după protocolul prezentat mai jos.
Animale de experienţă: Pentru realizarea acestui studiu s-au utilizat un număr de 12
iepuri, masculi, adulţi de 3.5 – 4.0 kg din rasa New Zeeland, obtinuţi de la Biobaza
Universităţii de Medicină şi Farmacie ”Iuliu Haţieganu” din Cluj-Napoca. Aceştia au fost
cazaţi în Biobaza autorizată de ANSVSA conform Legii 43/2014, Ordinul Preşedintelui
ANSVSA nr. 97 din 01.09.2015, în condiţii specifice de creştere a acestei specii. Animalele
au fost împărțite în două grupuri reprezentând un grup experimental care a beneficiat de
implant compozit şi un grup martor, la care s-au aplicat implanturi din aliaj de titan.
13
Condiţiile de vivariu au respectat Directiva Europeană 63/2010 şi Legea nr. 43/2014 privind
protecţia animalelor folosite în scopuri ştiinţifice.
Protocolul experimentului. Animalele au fost anesteziate utilizând un cocktail de
Xilazina/Ketamina în doză de 5 mg Xilazina şi 50 mg Ketamina administrat intramuscular. S-
a practicat îndepărtarea pilozității din regiunea fronto-parietală și antiseptizarea cu soluție de
betadină. Animalele au fost plasate în decubit ventral şi contenţionate pe masa de operaţie. S-
a practicat incizia tegumentului median, în sens postero-anterior la nivelul regiunii fronto-
parietale, urmată de disecţia ţesutului subcutanat, incizia periostului şi decolarea acestuia de
pe suprafaţa oaselor frontale şi parietale. S-a aplicat șablonul pentru osteotomie (fig. 16) și s-a
trepanat defectul osos de geometrie prestabilită (fig. 17), utilizând freze globulare de os, sub
răcire continuă cu ser fiziologic, la turații de 800 rpm. Fragmentul osos osteotomizat s-a
îndepărtat cu menținerea integrității durei mater, decolată bont de pe fața internă a acestuia
(fig. 18). La nivelul defectului osos s-a aplicat implantul 3D confecționat preoperator (fig.
19), fiind necesare ajustări minore la nivelul conturului extern. Implanturile au fost stabilizate
prin încastrare marginală (press fit). Plaga a fost suturată în planuri anatomice și aseptizată cu
soluție betadinată.
Fig. 16. Aplicarea șablonului de tăiere care să
ghideze osteotomia
Fig. 17. Aspectul liniei de osteotomie, cu
delimitarea defectului osos de dimensiune critică
Fig. 18. Voletul osos cranian ridicat și
evidențierea durei mater
Fig. 19. Reconstrucția defectului osos cu
implantul confecționat din FRC
După implantarea reconstrucţiei 3D, animalele de experienţă au fost plasate în cuşti
etichetate, asigurându-li-se condiţii optime de vivariu pe întreaga perioadă de desfaşurare a
studiului: dieta normală (mâncare solidă) şi apă ad libitum. De-a lungul perioadei de
desfăşurare a experimentului s-au urmărit reacţiile locale care au apărut la locul de
implantare, precum şi impactul acestora asupra stării generale a animalelor de experienţă.
14
La o lună după implantare şi respectiv la 3 luni (la sacrificare) s-au realizat examinări
CBCT ale zonei reconstruite. De asemenea, la momentul sacrificării, s-a recoltat un bloc os
din calvarie cu implantul în poziţie şi s-a efectuat microCT pentru determinarea densităţii
minerale osoase peri-implantare şi a porozitatii osoase peri-implantare (indicatori ai sănătăţii
osului). Piesele recoltate au fost apoi pregătite pentru examen histopatologic, pentru a
certifica reacţia ţesuturilor osoase la aplicarea implantului confecţionat din materialul
compozit dezvoltat în cadrul acestui proiect.
Rezultate
Clinic. Implantarea piesei de reconstrucție a defectului osos cranian a fost bine tolerată
de toate animalele incluse în acest studiu, perioada de convalescenţă a fost scurtă şi fără
semnificaţie clinică. După aplicarea implantului, niciun animal nu a prezentat modificări ale
statusului general care să poată fi remarcate. Vindecarea tegumentului din zona de implantare
s-a produs fără complicaţii, cu excepția unui singur subiect care a prezentat serom fronto-
pariental și care ulterior s-a suprainfectat, acesta aparținând grupului martor, implantat cu
titan. Pentru implanturile confecționate din FRC nu au fost evidențiate fenomene de rejet,
inflamație septică/aseptică (fig. 20, fig. 21). S-au recoltat în bloc fragmente osoase crnaniene,
menținând implantul în poziție, pentru examenul histopatologic.
Fig. 20. Decolarea operiostului
suprajacent implantului
cranian, fără semne clinice de
necroză, infecție sau granulație
secundară
Fig. 21. Evidențierea
contactului marginal implant-
os cranian, fără interpunere
macroscopică de țesut
granulativ
Fig. 22. Aspectul piesei craniene
cu implantul în poziție, prelevate
pentru examen histopatologic
Examinarea CBCT atât la 1 lună, cât și la 3 luni postoperator, a relevat
osteoacceptarea implanturilor din material compozit. Nu s-au decelat zone periimplantare de
inflamație sau rezorbție osoasă (fig. 23, fig. 24).
Fig. 23- Secțiune coronală CBCT cu evidențierea
implantului în poziție. Nu se decelează elemente
Fig. 24- Imagine de reconstrucție 3D a craniului
de iepure cu implantul de FRC în poziție (aspect
15
patologice periimplantar (aspect la 1 lună
postoperator)
la 1 lună postoperator)
Prin evaluarea microtomografică a fragmentelor de os recoltate s-a putut identifica
morfologia corticalei osoase în toată grosimea ei peri-implant, prin secțiuni coronale, sagitale
și transaxiale. Osteointegrarea implanturilor cu FRC nu a putut fi observată în probele
recoltate la o lună după implantare. Totuși, acestea erau în continuare fixate în defectul osos
realizat, iar peri-implantar nu s-a identificat reacții de osteoliză sau osteonecroză. S-au
identificat diferențe morfologice și a densității minerale osoase semnificative între loturile
experimentale față de cele martor reprezentat de implantul de titan medical.
În lotul experimental s-a observat țesut fibros de novo peri-implantar care fixează
implantul în defect (fig. 25), fenomen care nu a fost identificat in lotul martor.
Determinarea densității minerale osoase (BMD), exprimată în procente, a permis
aprecierea statistică cantitativă a variațiilor BMD din regiunile periimplantare a loturilor
experimentale față de loturile martor. Astfel, BMD peri-implantar a lotului experimental a
relevat faptul că aceasta a avut valori similare cu lotul martor (1.250 ± 0.02512 în lotul cu
titan medical; 1.203 ± 0.02496 în lotul cu FRC, 1.406 ± 0.001489 pentru corticala martor)
(fig. 26).
Densitatea mineralã osoasã (%)
Titan
FRC
Cort
icala
mar
tor
0.0
0.5
1.0
1.5
Fig. 25. Imagine microtomografică pentru
reconstrucția defectului cranian cu implant FRC,
fără semne de liza osoasă periimplantară
Fig. 26. Valori comparabile ale densității
minerale osoase periimplantare pentru lotul
experimental ( FRC) și cel martor (titan)
Examenul histopatologic al preparatelor tisulare a pus în evidență prezența de os
corticalizat periimplantar, aspect care subliniază biocompatibilitatea implanturilor
confecționate din materialul compozit dezvoltat în cadrul prezentului proiect. La nivel de
microscopie optică, nu s-au decelat zone de rezorbție sau necroză osoasă (absența infiltratului
inflamator periimplantar, absența osteoclastelor), implanturile fiind bine tolerate (fig. 27, fig.
28).
16
Fig. 27. Aspectul traveelor osoase corticale
neoformate periimplantar la 1 lună
postoperator
Fig. 28. Aspectul traveelor osoase corticale
neoformate periimplantar la 3 luni
postoperator
III.9. Elaborarea documentației tehnice a produsului. Partea a doua
Conditii tehnice și reguli de verificare a calității
Tabelul 4. Compozitia , domeniul admisibil si conditiile de calitate
Nr.
Crt.
Materia prima sau caracteristica Domeniu
admisibil
Condiţii de
calitate
1. Determinarea monomerului Bis-GMA
rezidual
Max. 5% Metoda 1
2. Determinarea monomerului TEGDMA
rezidual
Max. 5% Metoda 1
3. Determinarea gentamicinei eliberate Min. 10 mg dupa
14 zile Metoda 2
4. Determinarea rezistentei la incovoiere/
modulului Young
Min 150 MPa Conform STAS
4049/2000
III. 10 Diseminarea rezultatelor
Rezultatele cercetării au fost diseminate prin publicarea a 3 articole ISI (unul dintre
ele trimis spre publicare din etapa anterioară) și anume:
Lazar MA, Rotaru H, Baldea I, Boşca AB, Berce CP, Prejmerean C, Prodan D,
Câmpian RS. Evaluation of the biocompatibility of new fiber-reinforced composite
materials for craniofacial bone reconstruction. Journal of Craniofacial Surgery. 2016;
27(7):1694-1699. ISI Factor impact 0.68
Lazar MA, Filip M, Vlassa MC, Sorcoi
LA, Câmpian
RS, Prejmerean
C.
Development and characterization of new fiber-reinforced biocomposites for cranial
bone reconstruction. Rev Rom Mater. 2016; 46(2):142-151. ISI Factor impact 0.563
17
Lazar MA, Rotaru H, Prodan D, Armencea G, Bere P, Roman CR, Câmpian RS.
Evaluation of the morphology and structure of e glass fiber-reinforced composites for
cranio-facial bone reconstruction. Studia UBB Chemia, LXII (2), 2016, 216-225. ISI
Factor impact 0.148
Cercetările prezentului proiect au contribuit și la finalizarea tezei de doctorat cu titlul
“Biomateriale compozite innovative destinate reabilitării oro-maxilo-faciale”, student
doctorand Lazar (Cotigă) Mădălina Anca, susținută public în data de 13 iulie 2016.
O parte din rezultate au fost de asemenea diseminate cu ocazia unor conferințe
naționale și internaționale și în cursul acestui an:
• Rotaru H, Lazar MA, Baldea I, Boşca AB, Prejmerean C, Câmpian RS.
Biocompatibility of new fiber-reinforced composite materials for craniofacial bone
reconstruction. Annual Conference and Expo on Biomaterials, London, 2016.
• Lazar MA, Băciuţ M, Băciuţ G , Rotaru H, Roman CR, Armencea G, Vodnar D,
Prejmerean C, Prodan D, Vlassa M. Gentamicin eluting coating on E glass fiber-
reinforced composites for cranio-facial reconstruction, Napoca Biodent International
Symposium of Dentistry, Cluj-Napoca, 2016.