Pavlov A. Rationale for the use of a composite based on polylactide and calcium-phosphate ceramics for surgical treatment of periarticular fractures (experimental study).

Українська версія

Thesis for the degree of Candidate of Sciences (CSc)

State registration number

0425U000355

Applicant for

Specialization

  • 14.01.21 - Травматологія та ортопедія

21-11-2025

Specialized Academic Board

Д 64.607.01

State Institute "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology National Academy of Medical Sciences of Ukraine"

Essay

The dissertation is devoted to the urgent problem of creating a biodegradable composite biomaterial, substantiating its properties and developing individual implants for osteosynthesis using 3D printing. The high frequency of musculoskeletal injuries and the increase in their complexity due to the war in Ukraine necessitates the introduction into clinical practice of new technological developments for the manufacture of implants for osteosynthesis. This will have significant clinical effectiveness, economic feasibility and will contribute to improving the quality of life of patients. Implants that biodegrade after implantation into the human body and made of polylactide and copolymers based on it occupy a significant place in orthopedics and traumatology. The peculiarity of these polymers is biocompatibility, osteoconductivity and the ability to biodegrade with subsequent replacement of the implantation site with bone tissue. However, an unresolved problem is their low mechanical strength, which limits their use in areas of the skeleton under load. The solution may be the development of polylactide-based composites with improved mechanical properties due to the addition of calcium phosphate ceramics, carbon-based materials and polymers. Since tricalcium phosphate and hydroxylapatite are structurally similar to the mineral components of human bone tissue, in our work we focused on composites created on the basis of polylactide/tricalcium phosphate/hydroxyapatite. The manufacturing technology is important for the quality of the retainers, especially if it will allow the manufacture of implants of different shapes and sizes, individual for each patient. Such a technology is 3D printing, and many implants printed on a 3D printer are based on polylactides. As a result of the research, a composite biomaterial based on polylactide (PLA), hydroxylapatite (HA) and tricalcium phosphate (TCF) was created and experimental studies of its properties were conducted. Based on calculations of the modulus of elasticity of a polylactide composite with different percentages of calcium phosphate ceramics from 10 to 50%, it was proven that the optimal composition is 70% polylactide, 20% tricalcium phosphate and 10% hydroxylapatite, which was used in further research for 3D printing using FDM technology (layer deposition). A study of the biocompatibility and toxicity of a new composite of polylactide and calcium phosphate ceramics in vivo in rats for 180 days was conducted. Based on histological analysis of tissues (capsule thickness around implants; cell density and their phenotype; absence of inflammatory cells; condition of capillaries) around the implanted composite discs in subcutaneous fat, its biocompatibility and gradual degradation from day 90 after implantation were confirmed. The absence of toxic effects on kidney and liver function of the new composite was shown based on biochemical analysis of such indicators in rat blood serum as alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase, gamma-glutamyltransferase, bilirubin, creatinine, and urea. The osseointegration properties of the developed composite were evaluated after implantation of 3D-printed pins into a perforated defect of the femoral metaphysis of rats for 180 days. A higher osseointegration index was established in pins made of the composite compared to pure polylactide starting from day 30 (47.9± 2.13% versus 27.8± 2.25%) and this difference was maintained until the end of the experiment on day 180 (82.0 ± 2.07% versus 66.1 ± 3.4%), when this indicator was 1.7 times and 1.2 times higher, respectively. On day 180, the implants in the bone defect retained their shape, which indicates the possibility of their long-term use. As in the case of disc implantation, the presence of pins in the rat body during bone regeneration and remodeling for a year did not have a toxic effect according to the analysis of biochemical markers of the liver and kidneys. Under the conditions of fixation with a bone plate made of a PLA-based composite material for 180 days, the absence of destructive changes in the periosteum (periosteum) and cortex of the femoral diaphysis of rabbits was shown. The mechanical properties of 3D-printed plates for bone osteosynthesis and implants made of the developed polylactide-based composite were studied. As a result of calculations, it was found that the plates made of polylactide are too soft and must be three times thicker than titanium to ensure similar fixation stiffness.

Research papers

1. Павлов, А. Д., Пастух, В. В., & Дедух, Н. В. (2017). Реакція сполучної тканини на композит на основі полімолочної кислоти, гідроксиапатиту та трикальцій фосфату. Вестник проблем биологии и медицины, 4(3), 185-189. https://doi.org/10.29254/2077-4214-2017-4-3-141-185-189.

2. Хвисюк, О.М., Павлов, О.Д., Карпінський, М.Ю. & Карпінська, О.Д. (2018). Дослідження тривалості збереження жорсткості фіксації кісткових уламків біодеградуючими накістковими пластинами на основі полілактиду. Травма, 19(5), 98-105. https://doi.org/10.22141/1608-1706.5.19.2018.146652.

3. Хвісюк, О.М., Павлов, О.Д., & Пастух, В.В. (2018). Динаміка лабораторних показників крові у щурів після підшкірної імплантації композиту на основі полілактиду, гидроксиапатиту і трикальційфосфату. Український журнал медицини, біології та спорту: український науково-практичний журнал, 3(1), 71-75. https://doi.org/10.26693/jmbs03.01.040

4. Хвісюк, О. М., Павлов, О. Д., & Пастух В. В. (2018). Лабораторна оцінка впливу кісткових імплантатів на основі полілактиду при введенні експериментальним щурам на різних термінах спостереження. Український журнал медицини, біології та спорту: український науково-практичний журнал. 3(2), 38-42. https://doi.org/10.26693/jmbs03.02.038

5. Хвисюк, М.О., Павлов, O.Д., & Пастух, В. В. (2018). Регенерація кістки в умовах імплантації композитного біоматеріалу на основі полімолочної кислоти, гідроксилапатиту та трикальційфосфату. Проблеми безперервної медичної освіти та науки, 29(2), 65-69. http://nbuv.gov.ua/UJRN/Psmno_2018_2_15

6. Павлов, О. Д. (2018). Біохімічні маркери сироватки крові кроликів після імплантації на діафіз стегнової кістки пластин на основі полілактиду, гідроксиапатиту та трикальційфосфату. Актуальні проблеми сучасної медицини: вісник Української медичної стоматологічної академії, 18(1), 184-187. https://repository.pdmu.edu.ua/handle/123456789/11342

7. Дєдух Н. В., Макаров В. Б., & Павлов О. Д. (2019). Біоматеріал на основі полілактиду та його використання як кісткових імплантатів (аналітичний огляд літератури). Біль. Суглоби. Хребет. 9(1), 28-35. http://dx.doi.org/10.22141/2224-1507.9.1.2019.163056.

8. Хвисюк, О.М., Павлов, О.Д., Карпінський, М.Ю., & Карпінська О.Д. (2020). Розрахунок міцнісних характеристик композитного матеріалу на основі полілактиду трикальційфосфату та гідроксіапатиту. Травма, 21(1), 85-91. https://doi.org/10.22141/1608-1706.1.21.2020.197802.

9. Хвисюк, О. М., Павлов, О. Д., Карпінський, М. Ю., & Яресько О.В. (2020). Дослідження напружено-деформованого стану моделей фіксації кісткових уламків біодеградуючими накістковими пластинами на основі полілактиду. Травма, 21(2), 8-16. https://doi.org/10.22141/1608-1706.2.21.2020.202228.

10. Павлов, О. Д., Пастух, В. В., Карпінський М. Ю. (2021). Проблема використання композитних імплантів, що біодеградують, у лікуванні переломів кісток (огляд літератури). Травма, 22(2), 5-16. https://doi.org/10.22141/1608-1706.2.22.2021.231952.

11. Павлов, О. Д., Павлова, О. О., Мальцева, В. Є., Карпінський, М. Ю., & Карпінська О. Д. (2024). Експериментальне дослідження міцності накісткових пластин з композитного матеріалу на основі полілактиду, трикальційфосфату та гідроксилапатиту. Травма, 25(4), 142-145. https://doi.org/10.22141/1608-1706.4.25.2024.987

12. Павлов, О. Д. (2017). Морфологічна оцінка біосумісності композиту з полілактиду, гідроксиапатиту та трикальційфосфату після підшкірної імплантації у щурів. Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Медичні та фармацевтичні науки: аналіз сучасності та прогноз майбутнього» (10–11 листопада, рр. 47-48) Дніпро.

13. Павлов, О. Д. (2017). Використання полілактиду як пластичного матеріалу для виготовлення кісткових імплантатів. Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Нові досягнення у галузі медичних та фармацевтичних наук» (17–18 листопада) Одеса.

14. Хвисюк, О. М., Павлов, О. Д., Карпінський, М. Ю., & Карпінська О. Д. (2020). Розрахунок модуля пружності композитного матеріалу на основі полілактиду, трикальційфосфату та гідроксилапатиту. Матеріали п’ятої науково-практичної конференції «Актуальні питання патології суглобів та ендопротезування» (3–5 вересня, рр. 83-84). Запоріжжя.

Files

Similar theses