Partea a-VI-a

Soldul este cea de-a doua articulatie a corpului uman si are rolul primar in locomotie.Osteoartrita severa este cea mai frecventa afectiune pentru care artroplastia totala de sold se efectueaza ,aceasta reprezentand 70% din cazuri.

Intr-o operatie de inlocuire a soldului, oasele deteriorate si cartilajul sunt eliminate si inlocuite cu componente protetice.Fiecare proteza prezinta avantaje si dezavantaje.Problema este de a alege tipul de proteza care se poate substitui mai bine biomecanicii articulatiei soldului si care se poate adapta mai bine particularitatilor morfofunctionale ale cazului in speta.

Cel mai frecvent aliaj din titan folosit la inlocuirea soldului este titaniul aliat cu aluminiul si vanadiul, deoarece aliajele alfa-beta au proprietati optime necesare obtinerii unui implant.

Ti-Al-V de obicei are o duritate si elasticitate mai mare decat cea a osului.Proprietatile mecanice ale Ti-Al-V sunt, in principal ,determinate prin microstructura sa care poate fi definita prin procese industriale sau tratamente termale. Rezistenta la oboseala a aliajului este mult mai mare decat in cazul titaniului pur si este afectat de microstructua si suprafata tratata. Deoarece aliajele din titan sunt sensibile la oboseala, designul unei proteze de sold trebuie sa minimizeze stresul excesiv prin constructia crestaturilor.

Datorita proprietatilor mecanice si biochimice, biomateriale pe baza de titan pot fi exploatate pentru proiectarea diferitelor instrumente chirurgicale, precum si pentru elaborarea implanturilor dentare si proteze. Cu toate acestea, lipsa de proprietati bioactive puternice - mai ales osteointegrare ,abilitati necesare pentru realizarea dispozitive ortopedice - combinate cu degradare pe termen lung duc la folosirea unei acoperiri cu un alt material. A fost raportata o abordare de succes bazata pe depunerea de tantal subtire , pe suprafetele de titan. Tantalul ca material de acoperire consolideaza biocompatibilitatea si bioactivitatea caracteristicilor platformelor de titan, n timp ce creste si rezistenta lor la coroziune si aducndu-le radio-opacitate. Deci titanul acoperit cu tantal este mult mai potrivit decat titanul pur sau tantalul pur pentru aplicatile biomedicale datorita imbunatatirii proprietatilor lor mecanice si a rezistentei la coroziune mai crescuta.

Degradarea aliajului Ti-6Al-4V a fost cercetata in-vivo pe implanturi de sold, ct si pentru probe de laborator testate prin tribocoroziune.

Asemanarea dintre implanturile in vivo nu a reusit si a probelor de laborator testate arata clar ca mecanismul de degradare al aliajului de Ti-6Al-4V poate fi imitat printr-un test de tribocoroziune.

Cand capul femural se deplaseaza in interiorul capului acetabular in timpul miscarii articulatiei soldului si captuselii polimerului, este purtat departe.Astfel ,contactul direct se stabile?te intre capul femural si cupa.

Polietilena de inalta densitate este folosita la componele precum insertul si bila datorita biocompatibilitatii in masa si pentru faptul ca este un material performant in comparatie cu ,spre exemplu , politetrafluoretilena.

Intre componentele protezei, prin procesul de alunecare si n conditiile de slaba lubrifiere, apare uzura atat a componentei femurale cat si a celei acetabulare. Uzura protezelor de sold este diferita, cantitativ si calitativ, n functie de natura materialelor componentelor. Esecurile mecanice care se intampla in vivo sunt datorate uzurii sau solicitarii la oboseala, actiuni care induc prejudiciu si care sunt produse de miscarea de alunecare dintre componentele metalice si componentele din polietilena UHMWPE.

Scopul investigaiilor discutate n aceast proiect privind topirea selectiva cu laser au fost de a obine o perspectiv a proceselelor de imbatranire a pulberii de Ti-6Al-4V i pentru a identifica eventualele interdependene ntre pulberea folosita in topire i proprietatile materialelor fabricate . Prin urmare, rezultatele analizei pulberii i proprietile materialelor n vrac msurate au fost corelate.Datorit reciclarii multiple a Ti-6Al-4V pulbere i distribuiei dimensiunii particulelor este mrit. n consecin crete densitatea aparent i fluiditate este mbuntit. Referitor la aceste constatari ,proprieti materialelor componentelor se pot observa efecte de baz non-neglijabile de praf imbatranita de pe densitate, porozitate, rugozitatea suprafeei, duritate i rezisten mecanic a materialului n vrac. Reducerea porozitii Ti-6Al-4V se datoreaz fluiditatii mai bune a pulberii ceea ce conduce la o distribuie consistent i uniform a materialului pudr pe platforma de construcie. Cu toate acestea, distributia marimii particulelor favorizeaz nu numai fluiditatea, ci determin i o cretere de rugozitatea suprafeei cu aproximativ 33% fa de valoarea determinat iniial din cauza existenei unor particule relativ mari de pulbere.

In procesul de fasonare am folosit procedeul de extrudere la polietilena de inalta densitate deoarece acest procedeu prezinta numeroase avantaje precum : costuri scazute de prelucrare, costuri reduse ale reperelor (subansamblelor), capacitate de productie ridicata, sectiune transversala uniforma a reperelor ,posibilitatea colorarii polietilenei direct in extrude.Polietilena de inalta densitate a fost extrudata de cel putin doua ori in procesul obtinerii componentelor:bila si insertul.

Pulverizarea prin plasma (SPS) a fost utilizat pentru a consolida tantalul i aliajul de titan,Ti-6Al-4V.

LA final ,atunci cand polietilena este supusa iradierii aceasta este afectata de radiatii si va duce la reticularea sa.Acest lucru va duce la modificarea proprietatilor fizice ale polietilenei si va schimba rezistentei la tractiune, alungirii la rupere si a rezistentei la impact.

Ti-6Al-4V a fost utilizat deoarece este un material care are biocompatibilitate i rezisteta excelente la coroziune. Deoarece dispozitivul biomaterial trebuie s fie steril nainte de implantarea n corp, sterilizarea este considerata drept ultima etap de modificare a suprafetei.Chiar dac ultimul pas a fost sterilizarea cu iradiere gamma, istoria de curare a suprafeei de baz a jucat un rol important in determinarea proprietilor de suprafa finale ale suprafeelor sterile ale materialului.

PARTEA A-III-a

TOPIREA SELECTIVA CU LASER A Ti-6Al-4V

Topirea selectiv cu laser(SLM) este un procedeu de fabricare n care straturile succesive de pulbere sunt topite selectiv prin interaciunea dintre-un fascicul laser cu densitate mare de energie. Topit i resolidificat, materialul formeaza piese, n timp ce pudra netopita rmne pentru a sprijini structura. Aceasta tehnica de producie n strat ofer unele avantaje fa de tehnicile de fabricaie convenionale ,cum ar fi libertatea geometric mare, design i ciclu de fabricaie i componente fabricate la comand. Tehnicile de producie au evoluat rapid n ultimii 10 ani i SLM s-a schimbat de la prototipuri rapide la o tehnic de fabricaie aditiva. Prin urmare, proprietile materialului ,statice i dinamice , trebuie s fie suficiente pentru a satisface cerinele operaionale. Este bine cunoscut faptul c procesul SLM este caracterizat prin gradieni mari de temperatur care conduc la solidificat rapid, microstructuri de neechilibru. n plus, opiunea de schimbare a parametrilor de proces poate avea o influen puternic asupra microstructurii, densitatii i calitatii suprafatei. Ca rezultat, proprietile mecanice ale pieselor SLM se pot diferentia substanial ntre ele i se pot diferentia si fata de produsele obtinute prin tehnici convenionale.Se recunoate faptul c avantajele SLM pot fi realizate numai n cazul comportamentului mecanic al produselor finale .[11 ]Topirea selectiva cu laser a materialelor de titan, Ti-6Al-4V, ofer un potenial n fabricarea de implanturi medicale. Pentru a obine proprietile mecanice cerute ale componentelor , calitatea pulberii este esenial. Pulberea netopita este reciclata i reutilizata ntr-un proces ulterior. Datorit reciclarii repetate sesizam faptul ca proprietatile pulberii se schimba. n aceast proiect sunt studiate procesele de mbtrnire ale Ti-6Al-4V. Comparnd caracteristicile pulberilor examinate cu proprietilor materialelor n vrac , s-a observat c exist efecte semnificative de praf imbatranit asupra componentelor cu laser topit. Topirea selective cu laser este un proces aditiv care se refer la un grup de tehnologii utilizate pentru construirea de modele fizice, prototipuri, componente scule si piese funcionale, toate de la proiectarea asistat de calculator (CAD) date 3D sau 3D a datelor sisteme de scanare, scanere medicale, sau alte reprezentri geometrice. SLM foloseste energia unui fascicul laser concentrat pentru a lega particulele de pulbere reciproc ntr-o manier nelept pentru a produce parti de nalte densitati funcionale cu grad ridicat de complexitate geometrica (vezi fig. 1). Dei procesul SLM ofer multe avantaje fa de prelucrarile convenionale, calitatea sczut a suprafeei este una dintre cele mai importante dezavantaje ntlnite n acest proces. Pe de alt parte, n ciuda faptului c procesul este capabil de a face aproape toate partile dense (~ 98-99%), mica porozitate rezidual poate fi n continuare problematic pentru unele aplicaii unde sunt necesare rezisten ridicat i rezisten la oboseal.

Topire selective cu laser tantal

Proliferarea i diferenierea osteoblastelor umane cu acoperire de tantal sunt excelente n comparaie alte materiale.Modificrile de suprafa sau acoperiri de proteine pentru a spori performana biologic a Ta au fost investigate , n ciuda proprietile sale de biologice, Ta nu este considerat ca un material corespunztor pentru implanturi mari, datorit densitii sale de mare i preul ridicat. Pe de alt parte, densitatea mare a Ta este o avantaj pentru aplicaii de nalt contrast, cum ar fi markeri osoase

pentru radiostereometric. Pentru a evita stresul de ecranare, Ta este cea mai mare parte limitat de a deschide structurile poroase n aplicaii biomedicale. tiind c vrac Ta este dificil de procesat, i, prin urmare, produce n mod normal sub form de pulbere, poate fi de asemenea aplicat sub form de nveli

pe ambele suprafee solide i deschise implant poroase.

Tantal (Ta) a devenit un metal promitor pentru implanturi biomedicale sau acoperiri implant pentru aplicaiile ortopedice i dentare n ultimii ani, datorit sale excelent rezisten la coroziune, fractur tenacitate, i biocompatibilitatea, i a fost aplicat la diferite implanturi ortopedice. Studii anterioare arata ca o metal este bun pentru osteogenez n testele implantare de animale, i potrivit pentru adeziunea celular, proliferarea i diferenierea n studiile in vitro. Ta nu prezint toxicitate pentru celulele nconjurtoare, nici nu inhib creterea celular local de os din jur. Compozite Ta artat caracteristici diferite materiale, n funcie de suprafa tehnicile de modificare i structurile legturi chimice. Un strat subire naturala de oxid de tantal, care a existat pe suprafaa de Ta metal, s-ar putea jucat un rol cheie n biocompatibilitate.

Extruderea UWMHPE

A extrude inseamna a forta un material printr-un orificiu redus adesea numit matrita. Prin urmare, un extruder este de fapt compus din una sau doua suruburi rotative Arhimede montate intr-un butoi cu scopul de a creste progresiv presiunea si de a impinge inainte ingredientele printr-o matrita in care are loc expansiunea. Tratamente termo-mecanice care apar in butoi contribuie la ceea ce se numeste texturarea produsului (initial sub forma de granule), in timp ce extinderea n matrita este responsabila pentru formarea produsului final.

Dimensiunile si profilele suruburilor, viteza surubului, dimensiunea si forma matritei, temperatura, presiunea (sau alti agenti plastifianti) sunt cei mai important parametrii care ajuta la controlarea procesului.

Rolurile extruderului sunt: dozeaza si transporta materialul granular (pulverulent), incalzeste si topeste polimerul, omogenizeaza topitura, genereaza presiunea necesara pentru trecerea polimerului prin filiera. Este utilizat pentru obtinerea de filme, folii, placi si tuburi.

Avantajele utilizarii procedeului de extrudere la prelucrarea polimerilor: costuri scazute de prelucrare, costuri reduse ale reperelor (subansamblelor), capacitate de productie ridicata, sectiune transversala uniforma a reperelor, posibilitatea utilizarii unui numar insemnat de polimeri, posibilitatea colorarii polimerilor direct in extrude.

Cele mai multe materiale polimerice sunt extrudate cel putin de doua ori in viata lor. Prima data printr-o matrita de peletizare dupa reactorul i apoi pentru forma finala. In termeni simpli, extrudarea cu surub este alcatiuta din pompele de polimer ce au capacitatea de a topi materialul cu care sunt alimentate. Extruderea cu surub cuprinde unul sau doua suruburi arhimedice rotative intr-un butoi incalzit. In cazul extruderului cu un singur surub, rasinile polimerice sub forma de pulbere, pelete sau fulgi curg dintr-un buncar in spatiul dintre surubul rotativ si butoiul incalzit. Adancimea canalului de transport in surub este conturata de la dimensiuni foarte mari la dimensiuni foarte mici in directia curgerii.

In prima zona, sau in zona de transport, particulele polimerului solid sunt compactate impreuna in canalul surubului prin actiunea de rotire a surubului pentru a forma un material solid. La inceputul urmatoarei zone de extrudere, zona de plasticare(topire), butoaiele de incalzire cauzeaza formarea unui film subtire de polimer topit pentru a forma spatial dintre solid si peretii butoiului. Caldura generata topeste solidul. In ultima zona a extruderului, curgerea polimerului topit este stabilizata superficial in canalele surubului, si in final materialul trece prin intermediul matritei la sfarsitul masinariei.

Odata ce un polimer a fost topit, amestecat si supus presiunii intr-un extruder, este trecut printr-o matrita de extrudere pentru formare continua (dupa racier si solidificare) intr-un produs final.[12]

Partea a-IV-a

Pulverizarea cu plasm a tantalului

Pulverizarea cu plasm este o ntrire a suprafeei care poate imbunatati substratul cu rezistent la uzura, rezistenta la coroziune, oxidare la temperaturi ridicate, de izolare electrica, izolatie termica, radiaii, reducnd uzura i proprietile de etanare.

Slefuirea Ti-6Al-4V

La slefuire, diferena dintre aliajele de titan i alte metale este activitatea aliajelor de titan la temperaturi mai ridicate.La punctual de contact localizat al aliajelor de titan,roat poate reaciona chimic cu materialul roii.Viteze roii corecte se face prin folosirea unei jumtate la o treime din viteza convenionale roi de operare pentru a obine cele mai bune rezultate cu titan

Polietilena-sterilizare cu radiatii gamma

Razele gamma sunt formate prin dezintegrarea surselor de cobalt-60(60Co) sau a celor de cesiu-137(137Cs). Energia de raze gamma, ca unde electromagnetice cuantice, este similara cu lumina, dar are energia fotonica mai mare si lungimea de unda mai scurta. Radionuclidul 60Co poate fi produs intr-un reactor nuclear prin iradierea 59Co(metal), cu neutroni rapizi.Razele gamma sunt utilizate in general pentru sterilizarea materialelor gazoase, lichide, solide, a sistemelor omogene si eterogene si a dispozitivelor medicale, cum ar fi seringi, ace, canule, etc. Iradierea gama este un mijloc fizic de decontaminare, deoarece ucide bacteriile prin descompunerea ADN-ului bacterian, inhiband diviziunea bacteriana. Primul aspect care se ia in considerare atunci cand sterilizaram cu gamma este toleranta produsului la radiatii. In timpul utilizarii acestui tip de radiatie, fotoni de mare energie bombardeza produsul, provocand deplasarea electronilor. Aceste reactii, la randul lor, genereaza radicali liberi, care ajuta la ruperea legaturilor chimice.Radiatiile gamma au unele avantaje semnificative fata de alte metode de producere a unui produs steril. Aceste beneficii includ: o mai buna asigurare a sterilitatii produsului decat filtrarea si prelucrarea aseptica; process la temperatura scazuta si procesul de validare simplu.Iradiatorul gama este prezantat in Figura 11.

Validarea procesului poate fi definita ca procedura documentata pentru obtinerea, inregistrarea si interpretarea rezultatelor necesare pentru a stabili ca un proces va produce in mod constant produse care respecta anumite sarcini prestabilite. Pentru sterilizare, validarea procesului este esentiala, deoarece sterilizarea este unul dintre acele procese speciale pentru care eficacitatea nu poate fi verificata prin inspectie si testarea produsului. Polimerii supusi sterilizarii prin iradiere vor fi inevitabil afectati de radiatii si de mediul folosit in timpul sterilizarii, si vor suferi schimbari in structura polimerului cum ar fi scindarea lantului si reticularea(Schnabel, 1981). Reticularea si principalele scindari care au loc in timpul iradierii pot duce la modificari ale proprietatilor fizice ale polimerilor. Aceste efecte vor duce la schimbari ale rezistentei la tractiune, alungirii la rupere si a rezistentei la impact. Schimbarile vor depinde atat de polimerul de baza cat si de aditivii utilizati. Schimbarile proprietatilor mecanice nu pot fi imediat evidente si poate aparea o intarziere in dezvoltarea lor. Multi polimeri sunt rezistenti la radiatii la doze de pana la aproximativ 25 kGy, iar dozele reale utilizate vor fi mai mari decat aceasta pentru a realiza sterilizarea.Polietilena de inalta densitate poseda o structura si proprietati unice care au facut ca acest material sa devina utilizat pe scara larga pentru inlocuirea cartilajului bolnav sau deteriorat in inlocuirea totala de articulatii. UHMWPE este un polimer semicristalin liniar care poate fi descris ca un compozit din doua faze si anume faza cristalina si cea amorfa. Componentele ortopedice prelucrate din UHMWPE sunt de obicei sterilizate prin iradiere de raze gamma 60Co cu 25 kGy.

Aliajele de titan au fost utilizate pe scar larg ca un material de implant datorit biocompatibilitatii i rezistenei excelente la coroziune a acesteia. Deoarece dispozitivul biomaterial trebuie s fie steril nainte de implantarea n corp, sterilizarea este considerata drept ultima etap de modificare a suprafetei. n funcie de dispozitiv biomedicale sau material,curarea secundara sau sterilizarea se poate face intr-un cadru clinic.De aceea, este posibil ca biomateriale sa fie supuse mai multor pasi de curare i sterilizare ntr-un mod necontrolat.n situaiile n care dispozitivele de implant sunt aprobate pentru reutilizare,curare i sterilizare sunt pai cheie n reconditionarea implantului la starea sa iniial, dar poate contribui, de asemenea, la orice modificare a proprietilor iniiale de suprafa.

Curarea i sterilizarea se pot distinge n ceea ce privete funcia.Sterilizarea servete pentru a elimina sau a opri reproducerea de microorganism inclusiv bacterii, spori i fungi. De obicei, de curare

se face n primul rnd, urmat de sterilizare.

GI este o metod de sterilizare adecvata pentru dispozitivele sensibile la cldur.n AC, materialul

crete din cauza cldurii aburului aplicat la temperatur. De asemenea, camera trebuie s rmn nchis pn cldura se rcete la temperatura camerei i orice umiditate usuc. De aceea, CA nu este recomandat pentru biomaterialelor sensibile la cldur. Cu toate acestea, sterilizarea prin iradiere gama este mai eficient din punct de vedere de transfer de cldur.