نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 Esfarayen University of Technology, Esfarayen, North Khorasan, Iran

2 Biomaterials Group, Nanotechnology and Advanced Materials Department, Materials and Energy Research Center, Tehran, Iran

3 Orthopedic Research Center, Mashhad University of Medical Science, Mashhad, Iran

چکیده

پیش زمینه: مطالعة کنش خزشی (creep behavior) یک سری از نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر (biodegradable) همچون پیچ‌های زیستی که به عنوان تجهیزات قابل کاشت در داخل بدن استفاده می‌شوند، یک موضوع حیاتی است. در این تحقیق، به منظور بررسی بیشتر کنش خزشی و خزشی - بازیابی این مواد زیستی، از چند مدل کلاسیک جهت بازسازی این کنش‌ها استفاده شد.
روش: کنش‌های خزشی و بازیابی نانوکامپوزیت‌های متشکل از آمیختة پلیمری زیست‌تخریب‌پذیر پلی دال لاکتید،
 PDLLA (poly-D,L-lactic acid)، و پلی‌کاپرولاکترون، PCL (polycaprolactone)، تقویت شده با مقادیر مختلف 1، 3 و6 درصد وزنی از نانوذرات شیشة زیست‌فعال m-BGn (modified bioactive glass nanoparticles) برای مدل‌سازی انتخاب شدند. چند فرضیة مدل‌سازی همچون مدل توانی فایندلی (Findley)، مدل برگر (Burgers) و مدل ویبول (Weibull) استفاده شدند تا ارتباط بین نحوة توزیع و پراکندگی فاز m-BGn بر کنش خزشی و بازیابی نهایی نانوکامپوزیت دریافت شود.
نتایج: در مدل فایندلی تأیید شد که کمترین مقدار پارامتر  Aو بیشترین مقدار پارامتر n متعلق به نمونه با بیشترین مدول الاستیک است.  Aدامنة کُرنش خزشی گذرا «transient creep strain» و n پارامتر توانی زمان است و نانوکامپوزیت‌ها در مقایسه با آمیختة PCL/PDLLA، دارای مقدار کمتر A و بیشتر n هستند که می‌توان به تأثیر بازدارندگی m-BGn در کُرنش خزشی مرتبط دانست. علاوه بر این نتایج، مدل برگر نشان داد که همه پارامترهای ویسکوالاستیک و ویسکوپلاستیک برای نانوکامپوزیت‌ها از مقادیر بیشتری نسبت به آمیخته‌های خالص PDLLA/PCL برخوردارند. این بدین معناست که افزودن نانوذرات شیشة زیست‌فعال که منجر به کاهش کُرنش خزشی می‌شود، سبب افزایش مقادیر پیش‌بینی‌کنندة مدل برگر شده است که این مقادیر با   رابطة عکس دارد. علاوه بر این، مدل توزیع ویبول تصدیق می‌کند که افزودن m-BGn به داخل آمیخته‌های پلیمری PDLLA/PCL منجر به کاهش مقادیر بازیابی کرنشی ویسکوالاستیک می‌شود. این اثر نیز می‌تواند ناشی از تاثیر بازدارندگی m-BGn بر کنش بازیابی خزشی نانوکامپوزیت‌ها باشد.
نتیجه‌گیری: نتایج به دست آمده از مدل سازی کنش خزش- بازیابی آمیخته‌های PDLLA/PCL و نانوکامپوزیت‌های آن ثابت کرد که نانوذرات استحکام بخش شیشة زیست‌فعال یک نقش ممانعت‌کنندگی مناسب در کنش‌های خزشی و بازیابی خزشی بازی می‌کنند.
 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling of creep and creep recovery behaviors of PDLLA/PCL/bioactive glass nanocomposites as promising ACL reconstruction screws: the effects of bioglass reinforcement phase

چکیده [English]

Background: To study the creep behavior for a series of biodegradable nanocomposites, which are used as implantable devices in the body such as bioscrews, is a crucial factor. In the current paper, we are investigating these biomaterials -short-time creep and creep recover manners- in several classic models.
Methods: The creep and creep recovery behaviors of nanocomposites composed of biodegradable polymer blends, poly (D/L) lactic acid (PDLLA) and polycaprolactone (PCL) reinforced with three different contents of 1, 3 and 6 percent weight percentage (Full name?)% bioactive glass nanoparticles (m-BGn) were modeled. Several theoretical models including Findley power law, Burgers and Weibull models were used to establish the relations between m-BGn dispersion and final creep and creep-recovery behaviors of nanocomposites.
Results: The Findley power law model confirmed that the lowest ‘A’ and highest ‘n’ parameters ( A is the amplitude of the transient creep strain and n is the time exponent) belong to the sample with the highest young modulus and the nanocomposites compared to PDLLA/PCL  blends have the lower ‘A’ and higher ‘n’ which can be related to retardation effect of m-BGn on creep strains. Besides, the burgers model results illustrated that all viscoelastic and viscoplastic parameters for nanocomposites possess higher values than those of the neat PDLLA/PCL blend. It means that the addition of glass nanoparticles leads to decrease creep strain , increasing the Burgers model prediction values which have inverse trend with . Moreover, the weibull distribution model results acknowledge that the introduction of m-BGn into PDLLA/PCL polymeric blends cause decrease  in the viscoelastic strain recovery values. This is due to hindering effects of m-BGn on creep recovery behavior of nanocomposites.
Conclusion: The results obtained from modeling of creep-recovery manners of PDLLA/PCL blend and its nanocomposites approved that the bioactive glass reinforcement nanoparticles play  impeding role on creep and creep recovery behaviors.     
           Level of evidence: I
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: PDLLA/PCL blend
  • Bioactive glass nanoparticles
  • creep and creep recovery behavior
  • Modeling
  1. Chopek J, Kmita G, Rosó P. Lifetime Prediction of Polymer Composite Implants Based on Creep and Fatigue Tests, Annals of trasnplantation, 2004; 9: 26-29.
  2. P, MartucciJ F, IannaceS., Vázquez A. Influence of the Fiber Content and the Processing Conditions on the Flexural Creep Behavior of Sisal–PCL–Starch Composites, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2002; 15(3): 253-265.
  3. Kim JS, Muliana AH. A combined viscoelastic–viscoplastic behavior of particle reinforced composites, International Journal of Solids and Structures, 2010; 47: 580–594.
  4. Daver F, Kajtaz M, Brandt M, Shanks RA. Creep and Recovery Behavior of polyolefin-Rubber Nanocomposites Developed for Additive Manufacturing, Polymers (Basel), 2016; 8(12): 437.
  5. Hanemann T, Dorothée Vinga Szabó. Polymer-Nanoparticle Composites: From Synthesis to Modern Applications, Materials, 2010; 3: 3468-3517.
  6. Pegoretti A, Kolarik J, Peroni C, Migliaresi C. Recycled poly(ethylene terephthalate)/layered silicate nanocomposites: morphology and tensile mechanical properties, Polymer, 2004; 45: 2751-58.
  7. Perez CJ, Alvarez VA, Azquez AV. Creep behavior of layered silicate/starch– polycaprolactone blends nanocomposites, Materials Science and Engineering A, 2008; 480: 259–265.
  8. Esmaeilzadeh J, Hesaraki S, HadaviS M, Ebrahimzadeh MH, Esfandeh M. Microstructure and mechanical properties of biodegradable poly (D/L) lactic acid/ polycaprolactone blends processed from the solvent-evaporation technique, Materials Science and Engineering: C, 2017; 71: 807-819.
  9. Esmaeilzadeh J, Hesaraki S, Hadavi SM, Ebrahimzadeh MH, Esfandeh M. Poly (d/l) lactide / polycaprolactone/bioactive glass nanocomposites materials for anterior cruciate ligament reconstruction screws: The effect of glass surface functionalization on mechanical properties and cell behaviors. Materials science and Engineering C,2017; 77: 978-989.
  10. Esmaeilzadeh J, Hesaraki S, Ebrahimzadeh MH, Asghari GhH, Kachoei AR. Creep behavior of biodegradable triple-component nanocomposites based on PLA/PCL/bioactive glass for ACL interference screws, The archive of bone & joint surgery, 2019, 7 (6) 531-537.
  11. Yao Z, Wu D, Chen C, Zhang M. Creep behavior of polyurethane nanocomposites with carbon nanotubes, Composites: Part A, 2013; 50: 65–72.

 

 

  1. Perez CJ, Alvarez VA, Azquez AV. Creep behavior of layered silicate/starch– polycaprolactone blends nanocomposites, Materials Science and Engineering A, 2008; 480: 259–265.
  2. Georgiopoulos, E. Kontou. The effect of wood-fiber type on the thermo-mechanical performance of a biodegradable polymer matrix, Journal of applied polymer science, 2015; 132(27), 42185.
  3. Martins C, Pinto V, Guedes RM, Marques AT. Creep and Stress Relaxation Behaviour of PLA-PCL Fibres – A Linear Modelling Approach, Procedia Engineering, 2015; 114: 768-775.
  4. Findley WN, La JS, Onaran K: Creep and Relaxation of Nonlinear Viscoelastic Materials with an Introduction to Linear Viscoelasticity, Dover Publications Inc, NewYork, 1998.
  5. Ward IM: Mechanical Properties of Solid Polymers, John Wiley and Sons Ltd,Weinheim, 1983.
  6. Fancey KS. A mechanical model for creep, recovery and stress relaxiation in polymeric materials, J. Mater. Sci. 2005; 40: 4827–4831.