A&T 2016, Torino Lingotto Fiere Sessione specialistica del 20 aprile 2016, ore 14:45 - 17:20 Relatori: Elisa Rossi, Alberto Lagazzo (Università di Genova)

1. * Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale, Università degli Studi di Genova
OSSO ARTIFICIALE PER TEST IN
LABORATORIO SU DISPOSITIVI
ODONTOIATRICI
ELISA ROSSI, Alberto Lagazzo*, Fabrizio Barberis*

2. Alternativa all’osso animale o alle ossa
artificiali per test su dispositivi
odontoiatrici prima del lancio sul mercato
- PROGETTAZIONE COMPOSITO
- CARATTERIZZAZIONE
- APPLICAZIONE ODONTOIATRICA

3. APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
Valutazione TORQUE MASSIMO DI INSERIMENTO e STABILITÀ
PRIMARIA di MINIVITI ORTODONTICHE
Miniviti commerciali
Osstem e Tomas®
(stesse caratteristiche
geometriche).
STABILITÀ PRIMARIA: stabilità meccanica di un dispositivo
odontoiatrico.

4. TRABECOLARE
CORTICALE
TESSUTO OSSEO UMANO
Modulo elastico osso trabecolare:
200 – 450 MPa*
Modulo elastico osso
corticale: 6.0 – 20 GPa**
*Lezioni Ossa e Denti, www.ingbiomedica.unina.it/ingbio, Oct. 2014
**T.M.G.J. van Eriden et al., Biomechanics of the mandible, 1 1(1):123 - 136 (2000) Crit Rev
Oral Biol Med
POROSO
COMPATTO

5. SUPPORTO: PMMA
- Modulo elastico 2.4 GPa
- Lavorabilità
- Monomero MMA e prepolimero PMMA in rapporto 2:1
- Perossido di Benzoile – attivatore radicalico (4 wt.%)
- NN-dimetil-paratoluidina – catalizzatore (0.8 wt.%)
PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - progettazione
COME OTTENERE LA POROSITÀ?
POROGENO SACRIFICALE
BLOWING AGENT
POROGENO: SACCAROSIO*
- 𝜌𝑠𝑠𝑠𝑠 ≈ 𝜌 𝑃𝑃𝑃𝑃
- Assenza di interazioni con PMMA
- Granulometria facilmente modificabile
- Solubilità in acqua
Porosità media dell’osso trabecolare umano: 50 - 90 vol.%**
Campioni PMMA – 50 e 70 vol.% saccarosio
* S. Scaglione et al., A composite material model for improved bone formation, Journal of
Tissue Eng Regen Med. Ott 2010; 4(7): 505-513
** Rapporti ISTISAN, IIS, 2015

6. PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - progettazione
Requisiti stampo:
- Forma congrua con i test da
eseguire sul campione
- Assenza di interazioni con il
PMMA
- Facilità di estrazione
- Riproducibilità
Siringhe adattate così da
avere compressione
omogenea

7. Campione Modulo
elastico
medio
(MPa)
Dev. Std.
50 vol.%
porosità
216.2 9.3
70 vol.%
porosità
49.3 5.8
PROTOTIPO DI OSSO TRABECOLARE - caratterizzazione
Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
9 campioni testati per ogni porosità nominale
PROTOTIPO DI OSSO
TRABECOLARE:
PMMA – 50 VOL.% SACCAROSIO

8. PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - progettazione
PMMA PLA RESINA EPOSSIDICA
Necessità di modulo elastico nell’ordine dei 10 GPa
MATERIALE POLIMERICO COME MATRICE
Allumina 50 vol.%
Allumina 15 vol.%
ATH* 50 vol.%
Monetite 10 vol.%
Monetite 1 vol.%
Allumina 50 vol.%
Allumina 15 vol.%
ATH* 50 vol.%
MATERIALE CERAMICO COME RINFORZO
*ATH = Idrossido di alluminio

9. PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - progettazione
PMMA + 15 vol.% allumina
Modulo
elastico medio
(GPa)
Dev. Std.
3.3 0.4
Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
Requisiti:
- Modulo elastico (6 – 20GPa)
- Riproducibilità
- Facilità di realizzazione

10. PROTOTIPO DI OSSO CORTICALE - caratterizzazione
Test a flessione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10 mm/min
Modulo elastico
medio (GPa)
Dev. Std.
10.5 0.4
POLIMERIZZAZIONE: 1 GIORNOEVOLUZIONE DEL POLIMERO (CROSSLINKING)
PMMA + 15 vol.% allumina
8 campioni testati

11. PROTOTIPO OSSO ARTIFICIALE – processo
PMMA + 50 vol.% saccarosio PMMA + 15 vol.% allumina
COME UNIRLI?
Spessori corticale:
1 mm
1.5 mm
2 mm

12. OSSO ARTIFICIALE BoneSim™ - caratterizzazione
COMPOSIZIONE BONE
BLOCKS BoneSim™:
- Poliuretano
- Osso equino
* Valori riferiti a prove statiche a flessione
Modulo elastico
medio (GPa)*
Dev.
Std.
1.5 0.1
Modulo elastico 2.8 GPa*
ANALOGO OSSO
TRABECOLARE
ANALOGO OSSO
CORTICALE

13. Valutazione torque massimo di inserimento (MIT) miniviti
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
*
*
- Osstem MIT
maggiore di Tomas®
- MIT prototipo più
simile a MIT osso
suino rispetto a
BoneSim™
- Diminuzione MIT per
spessori di corticale
maggiori:
MICROCRACKING
BoneSim™
Osso Suino
PROTOTIPO
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA

14. Valutazione stabilità primaria miniviti
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA

15. * M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
Valutazione stabilità primaria miniviti
PROTOTIPO
Osso Suino
- Tomas®: torque e stabilità
migliore
- Osstem: andamento stabilità in
accordo con ipotesi microcrack
*

16. - Prototipo con prodotti facilmente lavorabili e a basso costo;
- Densità di trabecolare e spessore di corticale facilmente
modificabili;
- Materiale non soggetto a rapido degrado o trattamento specifico;
- Buona ripetibilità.
CONCLUSIONI e SVILUPPI FUTURI
PROTOTIPO BoneSim™ Mandibola e
mascella
Osso
trabecolare
0.21 GPa 1.5 GPa 0.2 – 0.45 GPa
Osso corticale 10.5 GPa 2.8 GPa 6 – 20 GPa
- Crosslink corticale;
- Possibile applicazioni in ortopedia (con opportune modifiche del
materiale), simulazione osso patologico;
- Impiego nella formazione di personale.

17. GRAZIE PER
L’ATTENZIONE

18. POROSITÀ - verifica
Blu di Metilene e tensioattivo

19. POROSITÀ - verifica
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =
𝑉𝑠−𝑉
𝑉
In cui:
𝑉𝑠 è il volume del campione 𝑉𝑆 = 𝜋𝑟2ℎ,
V è il volume del campione non poroso 𝑉 =
𝑚 𝑠
𝜌 𝑃𝑃𝑃𝑃
Per i campioni al 50% teorico la porosità media è del 57.5%
(dev. std 7%).
Per i campioni al 70% teorico la porosità media è del 72.8%
(dev. std 10.5%).
Calcolo porosità in volume

20. POROSITÀ – scioglimento porogeno
Composto polimerizzato in
acqua calda, processo di
scioglimento del saccarosio
estremamente lungo
LISCIVIAZIONE: provino
in acqua calda in beuta
a coda, cicli di bassa
pressione.

21. PROTOTIPO CORTICALE – test a compressione
Test a compressione (Zwick/Roell Z010) – precarico 0.1 N, velocità 10mm/min
PMMA + 15 vol.% allumina
Modulo elastico
medio (GPa)
Dev. Std.
3.3 0.4

22. PROTOTIPO CORTICALE - flessione DMA
𝐸 𝑑𝑑𝑑 =
2𝜋𝜋𝑙2
𝜆2 𝑅
2
𝜌
𝑓 = frequenza di risonanza,
𝑙 = lungh. campione,
𝜆 = coeff. modo di vibrare,
𝑅 = raggio di inerzia,
𝜌 = densità materiale.

23. Osso suino
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe
APPLICAZIONE ODONTOIATRICA
Valutazione torque massimo di inserimento (MIT) miniviti

24. STABILITÀ PRIMARIA
PROTOTIPO Osso Suino*
* M. Migliorati, Tesi di Dottorato, Aprile 2014, UniGe

25. PROVE DI DUREZZA VICKERS
BoneSim™PROTOTIPO
PROTOTIPO BoneSim™ Osso Suino
Durezza Vickers 280 MPa 341 MPa 306 MPa