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Publication
Bioactive 3D printed interference screws for orthopedic implant fixation
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 15.95 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
Musculoskeletal injury (MSI) corresponds to the disruption of muscles, tendons or ligaments. The knee is one of the most affected areas, with the meniscus and ligaments being very susceptible to injury due to their role in stabilizing the knee joint. A variety of treatments are available for these injuries, ranging from more conservative approaches to surgical interventions, such as ligament reconstruction, meniscectomy, repair or reconstruction of the meniscus. One of the primary challenges associated with these surgical procedures is ensuring adequate tissue fixation, which is typically achieved through the use of sutures, staples or interference screws. Although there are a variety of interference screws currently on the market, including metal and biodegradable models, there are still limitations regarding their rapid fixation and long-term effectiveness. The aim of this thesis was to address these limitations by developing a bioactive interference screw, combining three-dimensional (3D) printing technology and supercritical carbon dioxide (scCO2) technology, as a porogen and impregnation agent. In this study, polylactic acid (PLA) was used as the base material for printing and the impact of infill density during 3D printing, the effect of batch pressure on the foaming process and, finally, the effect of impregnating an exopolysaccharide (EPS) on the biological behavior of the screws were explored. A reduction in infill density, coupled with a decrease in batch pressure, resulted in a higher expansion ratio, leading to augmented pore density and augmented internal microporosity, characterized by the presence of larger pores. Furthermore, the impregnation process, whereby the screw is subjected to a scCO2 environment once more, induced surface roughness and altered the microporosity induced by foaming, thereby rendering the screw more resistant. All the screws developed were found to be biocompatible through cytotoxicity tests. However, further tests will be required to gain a deeper understanding of the screw's overall performance, both mechanically and biologically. The findings demonstrate the potential of combining these innovative technologies to produce interference screws with advanced properties. The results obtained in this work could open up new possibilities for developing this type of medical device in a way that is reproducible, effective and provides bioactive properties.
A lesão músculo-esquelética (MSI) corresponde à disrupção de músculos, tendões ou ligamentos. O joelho é uma das zonas mais afetadas, sendo o menisco e os ligamentos muito suscetíveis a estas lesões devido ao seu papel na estabilização da articulação do joelho. Existem diversos tratamentos disponíveis para estas lesões, desde abordagens mais conservadoras a intervenções cirúrgicas, como reconstrução de ligamentos e meniscectomia, reparação ou reconstrução do menisco. Um dos principais desafios destas cirurgias é a fixação adequada do tecido, sendo realizada por suturas, agrafos ou parafusos de interferência. Apesar de existir uma variedade de parafusos de interferência atualmente no mercado, incluindo modelos metálicos e biodegradáveis, ainda existem limitações quanto à sua fixação rápida e eficácia a longo prazo. A presente tese teve como objetivo dar resposta a estas limitações através do desenvolvimento de um parafuso de interferência bioativo, combinando as tecnologias de impressão tridimensional (3D) e de dióxido de carbono supercrítico (scCO2), como agente porogénico e de impregnação. Neste estudo, foi utilizado o ácido poliláctico (PLA) como material base para impressão, tendo sido explorado o impacto da infill density durante a impressão 3D, o efeito da pressão de batch no processo de foaming e, por fim, o efeito da impregnação de um exopolissacarídeo (EPS) no comportamento biológico dos parafusos. A diminuição da infill density, bem como a menor pressão de batch, levaram a que tenha sido obtido um maior rácio de expansão, resultando numa densidade de poros mais elevada e uma microporosidade mais interior, onde se encontraram poros de maiores dimensões. Além disso, o processo de impregnação, onde o parafuso é sujeito novamente a ambiente com scCO2, induziu rugosidade na superfície e alterou a microporosidade induzida pelo foaming, tornando o parafuso mais resistente. Todos os parafusos desenvolvidos mostraram-se biocompatíveis através de ensaios de citotoxicidade. Contudo, serão necessários mais testes para melhor perceber o desempenho geral do parafuso, ao nível mecânico e biológico. Os resultados demonstraram o potencial da combinação destas tecnologias inovadoras para a produção de parafusos de interferência com propriedades avançadas. Os resultados obtidos neste trabalho podem abrir novas possibilidades para o desenvolvimento deste tipo de dispositivos médicos de uma forma reprodutível, eficaz e conferindo propriedades bioativas.
A lesão músculo-esquelética (MSI) corresponde à disrupção de músculos, tendões ou ligamentos. O joelho é uma das zonas mais afetadas, sendo o menisco e os ligamentos muito suscetíveis a estas lesões devido ao seu papel na estabilização da articulação do joelho. Existem diversos tratamentos disponíveis para estas lesões, desde abordagens mais conservadoras a intervenções cirúrgicas, como reconstrução de ligamentos e meniscectomia, reparação ou reconstrução do menisco. Um dos principais desafios destas cirurgias é a fixação adequada do tecido, sendo realizada por suturas, agrafos ou parafusos de interferência. Apesar de existir uma variedade de parafusos de interferência atualmente no mercado, incluindo modelos metálicos e biodegradáveis, ainda existem limitações quanto à sua fixação rápida e eficácia a longo prazo. A presente tese teve como objetivo dar resposta a estas limitações através do desenvolvimento de um parafuso de interferência bioativo, combinando as tecnologias de impressão tridimensional (3D) e de dióxido de carbono supercrítico (scCO2), como agente porogénico e de impregnação. Neste estudo, foi utilizado o ácido poliláctico (PLA) como material base para impressão, tendo sido explorado o impacto da infill density durante a impressão 3D, o efeito da pressão de batch no processo de foaming e, por fim, o efeito da impregnação de um exopolissacarídeo (EPS) no comportamento biológico dos parafusos. A diminuição da infill density, bem como a menor pressão de batch, levaram a que tenha sido obtido um maior rácio de expansão, resultando numa densidade de poros mais elevada e uma microporosidade mais interior, onde se encontraram poros de maiores dimensões. Além disso, o processo de impregnação, onde o parafuso é sujeito novamente a ambiente com scCO2, induziu rugosidade na superfície e alterou a microporosidade induzida pelo foaming, tornando o parafuso mais resistente. Todos os parafusos desenvolvidos mostraram-se biocompatíveis através de ensaios de citotoxicidade. Contudo, serão necessários mais testes para melhor perceber o desempenho geral do parafuso, ao nível mecânico e biológico. Os resultados demonstraram o potencial da combinação destas tecnologias inovadoras para a produção de parafusos de interferência com propriedades avançadas. Os resultados obtidos neste trabalho podem abrir novas possibilidades para o desenvolvimento deste tipo de dispositivos médicos de uma forma reprodutível, eficaz e conferindo propriedades bioativas.
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Keywords
3D printing Exopolysaccharide Interference screw Orthopedic fixation Supercritical carbon dioxide Dióxido de carbono supercrítico Exopolissacarídeo Fixação ortopédica Impressão 3D Parafuso de interferência
Pedagogical Context
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