II.1 Elaborarea documentatiei tehnice a produsului. Partea intai. Rasina de impregnare

Conditii tehnice si reguli de verificare a calitatii

Nr. Crt.

Materia prima saucaracteristica

Domeniuadmisibil

Conditii de calitate

1. Aspect Rasina fluida FR X pag. 983.2. Culoare galbui FR X pag. 983.3. Miros caracteristic FR X pag. 983.4. Continut in monomeri dimetacrilici 75-85% HPLC*5. Vascozitate 300-500 cP Vascozimetrul

Hoppler,FR X, pag.1005.

*Metoda de determinare este redata mai jos:

Tabelul 1. Compozitia, domeniul admisibil si conditiile de calitate

II.2 Experimentarea biocompozitului selectionat in instalatia de laborator. Partea intai

Tinand cont de rezultatele obtinute in cadrul etapei precedente si respectiv de scopulfinal al proiectului, in prezenta faza s-au experimentat in instalatia de laborator o serie debiocompozite armate cu fibre de sticla, preparate din monomeri de baza -amestecul deoligomeri dimetacrilici Bis-GMA1,2 si uretan dimetacrilatul UEDMA -; monomeri de dilutie -trietilenglicol dimetacrilatul (TEGDMA) si 2-hidroxietil metacrilatul (HEMA) - si armate cutesaturile din fibra de sticla E 300 g/m2 (T1) si Twill 200 g/m2 (T4).

II.3 Corelarea intre structura interna si proprietati si ajustarea compozitiei in vedereaobtinerii proprietatilor dorite. Selectionarea biocompozitului cu proprietati fizico-chimice si mecanice superioare, adecvate scopului propus

Tinand cont de scopul final al proiectului, acela de a obtine implanturi personalizate,de forme si dimensiuni particulare, pentru urmatoarele studii (determinarea proprietatilormecanice) s-a ales compozitul confectionat pe baza de rasina R3 si tesatura din fibre de sticlaTwill T3 , datorita faptului ca aceasta poate fi mulata usor in forme tridimensionale.

II.4 Proiectare si realizare instalatie pentru matricea organica din biocompozitulranforsat cu fibre de sticla. Partea intai.

Procedeul cercetat

Sinteza matricei organice folosite la obtinerea compozitelor armate cu tesatura de fibra desticla implica a) Obtinerea amestecului de oligomeri superiori Bis-GMA1,2; b) Dizolvareacomponentelor sistemului de initiere a polimerizarii (POB; BHT) in monomerul de dilutie(DMTEG / HEMA); c) Obtinerea matricei organice

1

Instalatia de sinteza este prezentata in schema de mai jos:

Schema1. Instalatia de sinteza pentru obtinerea matricei organice

II.5 Elaborarea de modele experimentale animale pentru defecte cranio-faciale dedimensiuni mari /complexe

Animalele experimentalePentru realizarea acestui studiu se vor utiliza un numar de 12 iepuri, masculi, adulti de

3.5 – 4.0 kg din rasa New Zeeland White Rabbit obtinuti de la Biobaza Universitatii deMedicina si Farmacie ”Iuliu Hatieganu” din Cluj-Napoca. Acestia vor fi cazati intr-o Biobazaautorizata de ANSVSA conform Legii 43/2014, Ordinul Presedintelui ANSVSA nr. 97 din01.09.2015 in condtii specifice de crestere a acestei specii. Numarul de 12 animaleexperimentale a fost obtinut printr-un power analysis statistic realizat dupa efectuarea unorstudii pilot. S-a ales numarul minim de animale necesare pentru a obtine rezultate cusemnificatie statistica in concordanta cu regula celor 3R impusa de Directiva Europeana63/2010 si Legea 43/2014. Animalele vor fi impartite in doua grupuri reprezentand un grupexperimental care va beneficia de implant si un grup martor.

2

Fig. 1 – Defectul osos de dimensiuni critice, de forma complexa, propus pentru

experiment

II.6 Proiectare instalatie si tehnologii de laborator pentru biocompozitul ranforsat cufibre de sticla

Procedeul cercetat

Pentru confectionarea FRC folosit ca implant cranian se parcurg urmatoarele etape 1)obtinerea rasinii de impregnare prin amestecarea matricei organice preparata la pct.1 cunanoumplutura de hidroxilapatita si oxid de zirconium; 2) Obtinerea FRC prin procedeul delaminare; 3) Intarirea FRC in cuptorul electric la 100 grade C.

Schema 2 . Instalatia de sinteza pentru obtinerea FRC

II.7 Elaborarea modelelor experimentale pentru biocompozitele armate cu fibre de sticlautilizate ca implanturi pentru reconstructia defectelor osului craniofacial. Realizarealoturilor de testare.

II.7.1. Realizarea loturilor de testare pentru determinarea dublelor legaturireziduale (DLR) si a monomerului rezidual (MR)

3

Pentru determinarea monomerului rezidual (MR) si a dublelor legaturi reziduale(DLR) s-au confectionat epruvete sub forma de discuri cu diametrul de 10 mm si grosimeade1mm. Epruvetele s-au intarit prin initierea termica a polimerizarii la 1000C, in etuva electrica.

II.7.2. Realizarea lotului de testare pentru determinarea proprietatilor mecanice Pentru determinarea rezistentei la incovoiere si a modulului de elasticitate s-au

confectionat epruvete de forma paralelipipedica cu lungimea de 25.0 mm, inaltimea 2.0 mmsi grosimea 2.0 mm, in acord cu ISO 4049/2000. Epruvetele s-au intarit prin initierea termicaa polimerizarii la 1000C.

II.8 Cercetari asupra posibilitatilor de armare cu fibre a noilor biomateriale polimerice

Rezultate partiale: S-a obtinut o placa de aproximativ 1,15 mm grosime, compusa din 5straturi de tesatura. S-a masurat rezistenta la rupere a compozitului format prin aceastametoda, valoarea obtinuta fiind de 250 MPa.

Figura 2 ilustreaza cateva etape principale de depunere a straturilor succesive, a celor2 componente ale rasinii, separate de cate un strat de armare. Este ilustrat si modul deinlaturare, prin vacuumare, a excesului de rasina.

Fig. 2. Formarea si vacuumarea placilor, din noul compozit biocompatibil

Figura 3 ilustreaza etapele ulterioare parcurse in cadrul acestor cercetari, polimerizareain cuptor si placa din compozit rezultata.

Fig. 3. Polimerizarea in cuptor si forma placii de compozit

II.9 Fabricarea de probe / epruvete din noile biomateriale compozite

In cadrul acestei activitati, s-au fabricat patru tipuri de placi, din noile biomaterialecompozite, prin metode diferite, cu scopul de a putea evalua caracteristicle mecanice alenoilor compozite, fabricate cu numar diferit de straturi de tesatura si utilizand formareacompozitului fie prin vacuumare, fie prin presare.

4

Toate cele 4 tipuri de placi s-au fabricat din rasini cu activare termica, furnizate de catrepartenerul P1-UBB, iar tesatura de armare a fost de tip T 200 (200 g/mp). Rasina a avut unadaos de HA, pentru a obtine o vascozitate adecvata modului de fabricare a compozitelor prinvacuumare.

II.10 Realizarea modelului virtual al defectului osos de dimensiuni mari/complex laspecia de animale de laborator prin tehnologia CAD/CAM si "rapid prototyping"

In vederea testarii noului material compozit dezvoltat pentru fabricarea implanturilorpersonalizate s-a propus elaborarea unor defecte complexe, de dimensiuni mari la nivelulcalvariei de iepure, conform modelului experimental descris anterior. Aceste defecte au fostproduse in mediul virtual, prin utilizarea tehnologiilor de design asistat de calculator(CAD/CAM).

Imaginile obtinute prin scanarea 3D, sub forma fisierelor dicom, au fost importate inprogramul Mimics Research® versiunea 18.0 (Materialise NV, Leuven, Belgia). Cu ajutorulacestui program, s-a realizat segmentarea datelor anatomice obtinandu-se modelul virtual 3Dal craniului de iepure (fig. 4) fara defectul osos simulat.

Fig. 4. Interfata grafica a programului Mimics Research® 18.0.

II.11 Fabricatia prin tehnologii FRP a modelelor master experimentale care reproducforma complexa a modelelor virtuale de implanturi personalizate

In cadrul acestei activitati, s-au fabricat modele fizice prin sinterizare selectiva cu laser(SLS) pentru un model experimental animal, cu scopul de a studia posibilitatile de fabricatie aimplanturilor personalizate, utilizand noile materiale compozite.

5

S-a primit modelul virtual de la coordonator (UMF Cluj) si s-a utilizat echipamentulSLS de tip Sinterstation 2000, disponibil la partenerul P2-UT Cluj, pentru a fabrica modelelefizice necesare.

Figura 5 ilustreaza modul de amplasare a modelelor virtuale pe masina de fabricatieaditiva.

Fig. 5. Pregatirea fabricatiei modelelor experimentale pe masina SLS

II.12. Realizarea studiilor fizico-chimice pentru seria de biocompozite armate cufibre de sticla formulate

II.12.1. Determinarea conversiei monomerilor din compozitele cu fibre de sticlaelaborateConversia amestecurilor de monomeri din FRC a fost evaluata prin determinarea

dublelor legaturi reziduale (DLR) utilizand metoda spectroscopiei in infrarosu (metoda Ruytersi Gyorosi), descrisa in prima faza a proiectului. Cantitatea de duble legaturi reziduale a fostdeterminata ca procent fata de cantitatea de grupe metacrilice originale prezente inamestecurile de monomeri. S-a monitorizat descresterea intensitatii absorbantei grupariimetacrilice C=C absorbance (Ameth) de la 1635 -1640 cm-1 dupa 24 ore de la polimerizareainitiala a pastelor de giomeri. Ca standard intern s-a folosit banda de absorbtie a grupei fenil(Aarom) de la 1605-1610 cm-1. Spectrele in infrarosu ale rasinilor si ale FRC intaritecorespunzatoare s-au inregistrat pe un spectrofotometru FTIR marca JASCO 610 echipat cuun dispozitiv ATR (attenuated total reflectance) prevazut cu cristal orizontal de ZnSe (JascoPRO400S). Rezolutia spectrelor a fost de 4 cm−1, iar scanarile au fost repetate de 100 ori.

In tabelul de mai jos se prezinta modul de calcul pentru dublele legaturi reziduale, sirespectiv pentru conversia FRC-urilor elaborate.

Codproba

Absi

1635,34cm-1

Absi

1606,41cm-1

Absf

1637,27cm-1

Absf

1608,34cm-1

ri rfDLR%

DC%

FRC1 0,023293 0,0104570,003402 0,005788 2,22

70,587 26,38

73,62

FRC2

0,000842 0,0013300,046445 0,026819 1,73

10,633 36,55

63,45

6

FRC3 0,0232939 0,01045770,009949 0,030962 2,22

70,321 14,42

85,58

FRC4 0,045270 0,0044950,013997 0,003840 10,0

723,644 36,18

63,82

FRC5 0,025164 0,0017780,0023916 0,000600 14,1

53,98 28,17

71,83

Tabelul 2. Dubele legaturi pendante si gradul de conversie in cazul FRC investigate

Fig. 6. Spectrul ATR-FTIR al rasinii R1 din FRC1 Fig. 7. Spectrul ATR-FTIR al

FRC1 dupa 24 ore de la polimerizare

Din datele tabelului 2 se observa ca cea mai mare conversie a monomerilor seinregistreaza in cazul FRC3 (85,58%), apoi urmeaza in ordine de FRC1 si FRC5 cu conversiide aprox 72% si 74%, si respectiv FRC2 si FRC4 a caror conversii au fost in jur de 63%.

Fig. 8. Monomerul rezidual extras din probele FRC investigate(monomer extras raportat la monomer initial corespunzator)

7

II.13 - Determinarea rezistentelor mecanice a noilor compozite conform STAS ISO4049/2000

Cercetarile experimentale pentru caracterizarea mecanica a noilor materiale compozites-au efectuat de catre partenerul P2, in laboratorul “Rezistenta materialelor” (UT Cluj),utilizand masinile de incercari la tractiune si incovoiere, ilustrate in figura 9.

Fig. 9. Determinarea caracteristicilor mecanice, ale noului compozit

II.14 Elaborare studii de piata pentru implanturile de tip compozit armat cu fibre desticla in vedea utilizarii acestora in reconstructia defectelor osoase cranio-faciale

Rezultatele cercetarii

Fig.10. –Opinia medicilor in legatura cuintrebarile adresate despre cuminfluenteaza implanturile personalizatereconstructia defectelor osoase

Fig11.- Opinia medicilor stomatologi inlegatura cu necesitatea implementarii inuzul clinic, pe scara larga, a implanturilorpersonalizate destinate reconstructieidefectelor osoase

8

Fig 12.- Opinia medicilor stomatologi inlegatura cu frecventa cu care ar indicareconstructia osoasa folosind implanturipersonalizate, daca aceasta tehnologie arfi usor accesibila.

Fig13.- Opinia medicilor stomatologi inlegatura cu caracteristicile pe care le-aravea in vedere la alegerea unui astfel deimplant

Fig.14-Opinia medicilor stomatologi inlegatura cu eficienta reconstructiileosoase prin metode conventionale

Fig.15-Opinia medicilor stomatologi inlegatura cu eficienta reconstructiile osoaseprin utilizarea implanturilor personalizate

Fig.16-Opinia medicilor stomatologi infunctie de cum considera costul totalestimat pentru reconstructia osoasa prinmetode conventionale, comparativ cuimplanturile personalizate

Fig.17-Opinia medicilor stomatologiin legatura cu posibilitatea de a folosiimplanturi personalizate inreconstructia osoasa, decat metodeleconventionale

9

II.15 Realizarea experimentului animal de biocompatibilitate a compozitului armat cufibra de sticla utilizat pentru reconstructia defectelor osoase cranio-faciale dedimensiuni mari/complexe

Pentru studiul reactiei tesutului subcutanat si respectiv a tesutului muscular laimplantarea biocompozitelor armate cu fibre de sticla destinate reconstructiei osoase au fostfabricate epruvete din materialele compozite experimentale formulate.

Din punct de vedere macroscopic nu s-au decelat diferente intre cele 4 loturi cuprinsein studiu, niciunul nu a prezentat semne certe de necroza, hemoragie sau tesut granulativ injurul epruvetelor implantate.

Din punct de vedere microscopic, reactia inflamatorie produsa de FRC3 a fost cea maiscazuta, comparativ cu restul materialelor testate. Procesul de reparatie din jurul epruvetelorimplantate a fost avansat si capsula conjunctiva complet formata. Subcapsular s-au remarcatun numar mic de celule inflamatorii (macrofage si limfocite), adiacent vaselor capilare.

In urma testelor de implantare tisulara, coroborate cu rezultatele obtinute in etapa 1(testarea citotoxicitatii materialelor formulate- activitatea 1.1), s-a selectat rasina R3 ca fiindmaterialul cu cel mai favorabil comportament biologic. Matricea polimerica selectionata arecompozitia: UDMA (60%), TEGDMA (30%) and bis-GMA (10%).

II.16 Comunicarea si publicarea a rezultatelor

Articole:1. Furtos G, Baldea B, Silaghi-Dumitrescu L. Development of new radiopaque glass

fiber posts. Materials Science and Engineering C 2016 59(1), 855–8622. Baldea B, Silaghi-Dumitrescu L, Furtos G . Fracture load and force load at upper yield

of alkaline-resistant glass fiber-reinforced endodontic posts. Polymer Composites(accepted), DOI: 10.1002/pc.23583

Prezentari orale:1. Lazar M, Prejmerean C, Baldea I, Balc N, Rotar H- Development of new fiber

reinforced composites to serve cranial bone reconstruction. Napoca BiodentInternational Symposium of Dentistry, 2015

2. Lazar M, Baciut M, Bran S, Berce C, Baciut G, Rotar H, Roman R, Armencea G,Prejmerean C, Filip M, Campian RS. Influence of polymeric matrix on thebiocompatibility of fibre-reinforced composites. Zilele Universitatii de Medicina siFarmacie “Iuliu Hatieganu”, 2015

10