Mechanical properties of resorbable PCL/FastOs® BG composite materials

Abstract

Bioresorbable composites nowadays play an increasingly important role in the modern medicine, especially in orthopaedics for the fixation of bone fractures and tendons. Contrarily to the metallic counterparts, they prevent a second surgical operation to remove them, because they will be gradually integrated in the bone tissues. Finding ways to improve their physical and mechanical properties to better fit the intended specific conditions and environments has been a goal in many researches. It has already established that size, shape, aspect ratio and volume fraction of reinforcing particles are parameters which can effect on mechanical properties of a composite. The aim of this work is to investigate the effect of different proportion of particulate FastOs®BG Di70 bioactive glass filler on the mechanical properties of polycaprolactone (PCL) matrix. The selection of the PCL was based on its set of interesting properties, including the FDA approval for biomedical applications and the relatively low cost. The main drawbacks of PCL are related to its relatively hydrophobic nature and the slow degradation rate it undergoes in vivo (up to 3-4 years). The present work has a multifold purpose and aims at overcoming and/or mitigating the main identifies limitations of PCL, namely enhancing relevant mechanical properties, fastening the biodegradation rate in vivo, and turning the material bioactive. For this, FastOs®BG Di70 bioglass powder was selected as filler. This bioglass is characterised by a high biomineralisation rate in vitro, has a more hydrophilic character and higher Young modulus. The combination of PCL-FastOs®BG Di70 bioglass in different proportions is therefore expected to confer to the composites a more balanced set of properties for the intended applications. The mechanical properties of composites were assessed under different testing modes (tensile, compressive, oscillatory and torsional).

Compósitos biorreabsorvíveis desempenham hoje em dia um papel cada vez mais importante na medicina moderna, especialmente em ortopedia para a fixação de fracturas ósseas e de tendões. Contrariamente aos dispositivos metálicos, eles evitam uma segunda intervenção cirúrgica para os remover, sendo gradualmente integrados nos tecidos ósseos. Encontrar maneiras de melhorar suas propriedades físicas e mecânicas para melhor atender as condições e ambientes específicos a que se destinam tem sido uma meta estabelecida em vários trabalhos de investigação. Com base nesses trabalhos, foi possível estabelecer que o tamanho, a forma e a razão de aspecto, bem como a fracção volúmica das partículas de reforço constituem os principais parâmetros que afectam as propriedades mecânicas de um compósito. O objectivo deste trabalho é investigar o efeito da adição de diferentes proporções de partículas do vidro bioativo FastOs®BG Di70 nas propriedades mecânicas de policaprolactona (PCL) usada como matriz. A selecção desta matriz foi baseada num conjunto de propriedades interessantes que possui, incluindo o facto de ter sido aprovada pela FDA para aplicações biomédicas e ser relativamente barata. As principais desvantagens da PCL estão relacionados com a sua natureza relativamente hidrofóbica, e com uma taxa de degradação lenta in vivo (até 3-4 anos). O presente trabalho tem uma finalidade múltipla e visa a superação e / ou mitigar as principais limitações identificadas para a PCL, ou seja, melhorar as propriedades mecânicas relevantes, acelerar a taxa de biodegradação in vivo, e tornar os materiais compósitos bioactivos. Para o efeito seleccionou-se o biovidro FastOs®BG Di70 na forma de pó como material de enchimento. Este biovidro é caracterizado por uma elevada taxa de biomineralização in vitro, tem um caracter mais hidrófilo e um módulo de elasticidade mais elevado. Assim, da combinação em proporções diferentes de PCL-FastOs®BG Di70, espera-se que resultem materiais compósitos com um conjunto mais equilibrado de propriedades para as aplicações almejadas. As propriedades mecânicas dos compósitos foram avaliadas sob diferentes modos de teste (de tração, compressão, torção e oscilatórios).