Mechanical characterization of ceramic-polymer-based biomaterials

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die mechanische Charakterisierung von gerüstähnlichen Implantaten für die regenerative Medizin (sogenannten Tissue Engineering Scaffolds), welche an der Technischen Universität Warschau mittels Rapid Prototyping aus mit Trikalziumphosphatkristallen (TCP) verstärkten Polylactid (PLLA) bzw.<br />aus Polycaprolacton (PCL) hergestellt wurden. Auf der Mikrometerskala wurde homogenes PLLA mittels Nanoindentation untersucht, wobei vier verschiedene maximale Eindringlasten jeweils 130 mal angewendet wurden.<br />Härte und Elastizitätsmodul zeigten keine wesentliche Anhängigkeit von der Eindringlast, und die Gesamtheit der Elastizitätsmodulmessungen folgte näherungsweise einer Weibullverteilung. Auf dem Niveau der Gesamtgerüste, also der Skala von einigen Millimetern, wurden poromechanische Festigkeitsversuche durchgeführt, bei denen zusätzlich zu einer einaxialen Last ein Öldruck auf die seitlichen Probenwände sowie auf die Porenwände innerhalb der Gerüste wirkte. Diese Versuche zeigten, dass niedrigporose Gerüste aus PLLA Terzaghis effektivem Spannungskonzept gehorchen. Derselbe Lastrahmen wurde zur Durchführung einaxialer Belastungs-Entlastungs-Versuche verwendet, welche zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls dienlich sind. Akustische Versuche mit 0,05 MHz Frequenz liefern einen unabhängigen Zugang zu elastischen Eigenschaften, in Form der Normalkomponenten des Elastizitätstensors.<br />Diese korrelieren stark, und zwar linear, mit den Elastizitätsmodulen aus den Entlastungstests, was die Existenz einer porositätsunabhängigen Querdehnzahl bedingt. Die Größe letzterer ist in guter Übereinstimmung mit entsprechenden Daten aus der Literatur. Schliesslich lassen laufende Arbeiten vermuten, dass mittels Nanoindentation gefundene elastische Eigenschaften mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen Vorhersagen über die makromechanischen Eigenschaften erlauben.<br />

This thesis is concerned with the mechanical characterization of rapid-prototyped tissue engineering scaffolds made of poly-l-lactide (PLLA) with tricalcium phosphate (TCP) inclusions, as well as of polycaprolactone (PCL). These scaffolds were produced at the Warsaw University of Technology. At the micrometer scale, homogeneous PLLA material was tested by a nanoindentation campaign, comprising four different chosen maximum indentation forces, with approximately 130 indentations per load. Both hardness and elastic modulus were not significantly changing with the different indentation loads, and the entity of all recorded Young's moduli showed approximately a Weibull distribution. At the level of overall scaffolds, i.e. that of several milimeters, poromechanical strength tests were performed, where, in addition to a uniaxial load, an oil pressure is subjected to the lateral sample walls, as well as to the scaffolds' pores. These tests reveal that Terzaghi's effective stress principle holds for low porosity PLLA-based scaffolds. The same loading frame was used for performance of uniaxial loading-deloading test, giving access to the scaffolds' Young's moduli. Acoustic tests with 0.05MHz frequency delivered an independent, additional access to elastic properties, in terms of the normal components of the scaffolds' stiffness tensors. The latter strongly correlate in a linear fashion, with the Young's moduli from the deloading tests, revealing porosity-independence of Poisson's ratio. The magnitude of the latter is in full agreement with literature data on polymers. Finally, preliminary work strongly suggests that large-scale Finite Element simulations may successfully upscale elastic properties from the nanoindentation-tested microlevel to that of overall scaffolds.