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:

5

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.