* 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*

Alternativa all’osso animale o alle ossa artificiali per test su dispositivi odontoiatrici prima del lancio sul mercato

- PROGETTAZIONE COMPOSITO - CARATTERIZZAZIONE - APPLICAZIONE ODONTOIATRICA

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.

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

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

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

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

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

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

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

PROTOTIPO OSSO ARTIFICIALE – processo

PMMA + 50 vol.% saccarosio PMMA + 15 vol.% allumina

COME UNIRLI? Spessori corticale:

1 mm 1.5 mm 2 mm

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

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

Valutazione stabilità primaria miniviti

APPLICAZIONE ODONTOIATRICA

* 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

*

- 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.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

POROSITÀ - verifica

Blu di Metilene e tensioattivo

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

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.

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

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.

Osso suino

* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe

APPLICAZIONE ODONTOIATRICA Valutazione torque massimo di inserimento (MIT) miniviti

STABILITÀ PRIMARIA

PROTOTIPO Osso Suino*

* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe

PROVE DI DUREZZA VICKERS

BoneSim™ PROTOTIPO

PROTOTIPO BoneSim™

Osso Suino

Durezza Vickers 280 MPa 341 MPa 306 MPa