Oberflächenprofilanalyse eines laminierten Oberschenkelprothesenschafts, hergestellt mit unterschiedlichen Verhältnissen von Epoxidharz und Acrylharz

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2664 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Acryl und Epoxidharz sind gängige Harzarten, die bei der Herstellung von Steckdosen verwendet werden. Verschiedene Arten von Harz wirken sich auf die Innenfläche einer laminierten Fassung aus. In dieser Arbeit soll die beste Kombination des Verhältnisses von Epoxid- und Acrylharz für einen laminierten Prothesenschaft bestimmt und die Oberflächenprofilanalyse verschiedener Kombinationen laminierter Prothesenschäfte hinsichtlich der Oberflächenrauheit bewertet werden. Oberschenkelpfannen wurden unter Verwendung verschiedener Harz-Härter-Verhältnisse von 2:1, 3:1, 3:2, 2:3 und 1:3 für Epoxidharz und 100:1, 100:2, 100:3, 100 hergestellt :4 und 100:5 für Acrylharz. Es wurden acht Lagen Stockinette, bestehend aus vier elastischen Strümpfen und vier Perlon-Strümpfen, verwendet. Eine Probe mit einer Größe von 4 cm × 6 cm wurde aus der Pfanne auf der lateralen Seite unterhalb des großen Trochanterbereichs herausgeschnitten. Der Stift des Mitutoyo Sj-210 Surface Tester wurde durch die Probe geführt und ergab den durchschnittlichen Oberflächenrauheitswert (Ra), den quadratischen Rauheitswert (Rq) und den 10-Punkte-Mittelrauheitswert (Rz). Epoxidharz weist im Vergleich zu Acrylharz eine glattere Oberfläche mit Ra-Werten von 0,766 µm, 0,9716 µm, 0,9847 µm und 1,5461 µm im Verhältnis 3:2, 3:1, 2:1 bzw. 2:3 auf. Bei Epoxidharz mit einem Verhältnis von 1:3 härtet das Harz jedoch nicht mit dem Härter aus. Für Acrylharz betragen die Ra-Werte 1,0086 µm, 2,362 µm, 3,372 µm, 4,762 µm und 6,074 µm mit den Verhältnissen 100:1, 100:2, 100:5, 100:4 bzw. 100:3. Epoxidharz ist bei der Herstellung einer laminierten Fassung die bessere Wahl, da die erzeugte Oberfläche glatter ist.

Prothetische Geräte sind künstliche Gliedmaßen, die als Ersatz für fehlende Körperglieder hergestellt werden1,2. Ziel der Prothese ist es, dem Benutzer normale Alltagsaktivitäten wiederherzustellen3,4. Für die Herstellung dieser Geräte stehen verschiedene Fertigungstechniken zur Verfügung, beispielsweise Thermoformen und Laminieren5. Beim Thermoformen wird eine Kunststofffolie erweicht und auf einen Positivabdruck gelegt, beim Laminieren werden Harz und Härter verwendet, um den Positivabguss zu beschichten5,6,7. Diese Prozesse und Materialien führten zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eines Prothesenschafts8. Das empfohlene Verhältnis von Harz zu Härter für Epoxidharz beträgt 2:1, während für Acryl der im Lieferantenkatalog angegebene Wert 100:1–3 beträgt.

In Bezug auf mechanische Eigenschaften wie maximale Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Steifigkeit haben sich aus laminierten Verbundwerkstoffen hergestellte Prothesenschäfte als stärker erwiesen als thermoplastische Schafte aus Copolymeren9,10,11. Die Menge des während der Konstruktion erzeugten Vakuums, der Grad der Benetzung (Sättigung des Harzes im Verstärkungsmaterial), die Art des Harzes, die Menge des Harzes und die Art der Faserverstärkung können zu Variationen bei laminierten Prothesenschäften führen5,12 .

Die Epidermis, das Unterhautgewebe, die Blutgefäße und der Blutfluss des Stumpfes werden alle durch den Druck und die Reibung beeinflusst, die durch die Bewegung entstehen. Reziproke Gleitreibung auf der Hautoberfläche würde tendenziell die Effizienz der Barrierefunktion des Stratum Corneum beeinträchtigen und ein Hauttrauma auslösen13,14. Der Reibungskoeffizient und die Energiedissipation zwischen dem Prothesenschaft und den Linermaterialien werden beide von der Oberflächenrauheit beeinflusst15,16. Die meisten transfemoralen Teilnehmer hatten entweder einen Gurt oder eine Saugsuspension (CSS) verwendet17. Bei einem Oberschenkelpatienten mit Saugaufhängung liegt die Buchse direkt an der Haut des Patienten an und wirkt sich so auf den Hautzustand aus.

In Bezug auf die thermische Stabilität übertrafen die hergestellten Verbundwerkstoffe reines Epoxidharz in Bezug auf eine geringere Abbaurate bei gleicher Temperatur und höherer Enthalpie, was beweist, dass mit Naturfasern verstärkte Epoxidharz-Verbundwerkstoffe reinem Epoxidharz weit überlegen sind18. Acryl hatte eine um 33 % höhere Querzugfestigkeit und einen äquivalenten Modul. Es hatte eine vergleichbare Längsbiegefestigkeit und einen vergleichbaren Modul. Es hatte eine etwas geringere Querbiegefestigkeit und einen etwas geringeren Modul. Es zeigte eine überlegene Bruchzähigkeit und Delaminationsbeständigkeit. Mikroaufnahmen zeigten mikrostrukturelle Duktilität in Acryl und spröde Bruchmechanismen in Epoxidharz. Acryl hatte einen höheren Tan-Delta-Peak als Epoxidharz19,20.

Der Unterschied in der Oberflächenrauheit von Epoxid- und Acrylharz wird jedoch in keiner Studie erwähnt. Ziel der Studie ist daher die Untersuchung der Oberflächenrauheit beider Harzarten, um die bessere Herstellung eines Prothesenschafts im Hinblick auf die Oberflächenrauheit für besseren Komfort zu ermitteln.

Die in dieser Studie verwendeten Materialien waren Acrylharz; Orthocryl Laminierharz 80:20 (617H19) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Deutschland) mit Ottobock-Härterpulver (617P37) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Deutschland) als Härter, Epoxidharz; Epoxen CP362 Teil A mit Härter CP362 Teil B (Oriental Option Sdn Bhd, Penang, Malaysia). Der Polyvinylalkohol (PVA)-Beutel wurde aus Ottobock PVA-Folie (616F4) hergestellt. Es wurde auch eine Stockinette von Ottobock verwendet, nämlich Perlon Elastic Stokinette, weiß (623T5 = 15) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Deutschland) mit einer Breite von 15 cm. Der elastische Strumpf wurde vom Center for Prosthetic and Orthotic Engineering (CPOE) mit einer Breite von ebenfalls 15 cm bereitgestellt.

Der Positivabdruck wurde durch Kopieren einer vom Center for Prosthetic and Orthotic Engineering (CPOE) bereitgestellten Polypropylen-Oberschenkelpfanne in einen Negativabdruck erhalten. Der Negativabdruck wurde dann mit Plaster of Paris (POP)-Aufschlämmung gefüllt, die durch Mischen von POP-Pulver und Wasser hergestellt wurde. Als die POP-Aufschlämmung aushärtete, wurde der Negativguss entfernt und der Positivguss modifiziert und geglättet.

Die Laminierungstechnik beginnt mit der Vorbereitung von 2 Polyvinylalkohol (PVA)-Beuteln entsprechend der Größe des Positivabdrucks. Zwischen dem PVA-Beutel, bestehend aus 4 Perlon-Stokinette und 4 elastischen Stokinette, wurden 8 Lagen Verstärkungsmaterial eingelegt. Eine Mischung aus Harz und Härter im Bereich von 600–610 g wurde in einem Becher mit unterschiedlichen Kombinationsverhältnissen hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Die Lösung wurde dann in das PVA-Beutel-Verstärkungsmaterial-Sandwich gegossen. Jeder Sockel wurde aus Acrylharz und Epoxidharz unter Vakuumansaugung von weniger als 20 % nicht induktiv hergestellt, bis er heiß ist, was anzeigt, dass er ausgehärtet ist. Der laminierte Verbundwerkstoff wurde dann über Nacht belassen, bevor der Schaft fertiggestellt wurde, indem die Kante der Schaft-Trimmlinie geglättet wurde. Der laminierte Schaft wurde dann entsprechend der Schnittlinie zugeschnitten, um aus dem Positivmodell herausgezogen zu werden. Eine ausgeschnittene Probe wurde aus dem lateralen Teil der Pfanne 21 cm vom distalen Ende und 3 cm von der medialen Wand entfernt mit einer Größe von 4 cm x 6 cm entnommen.

Laminierte Oberschenkelpfannenoberflächen sind Probenausschnitte von etwa 4 cm × 6 cm (Benchmarkproben), wie in Abb. 1 dargestellt. Ein Profilometer ist ein typisches Werkzeug zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Zur Beurteilung der Oberflächenrauheit der Pe-Lite-Proben (Mitutoyo SurfTest SJ-210-Serie) wurde ein Tisch-Kontaktprofilometer verwendet21,22. Im Lieferumfang des Profilometers war ein einziehbarer Messtaster mit Diamantspitze enthalten. Der Stift hatte einen Radius von 2,5 μm und war mit einer Messkraft von 0,75 mN ausgestattet. Für jede Oberfläche wurden zwanzig Versuche durchgeführt.

Musterausschnitte.

Die topografische Analyse wurde mithilfe eines tragbaren Geräts durchgeführt, das mit einem Kommunikationssoftwareprogramm verbunden war, das die Aufzeichnung von Echtzeitinspektionen und die automatische Anzeige der 2D-Analysediagramme ermöglichte, wie in Abb. 2 dargestellt. Durchschnittliche Oberflächenrauheit (Ra), Als Rauheitsparameter wurden die quadratische Rauheit (Rq) und die mittlere Rauheit (Rz) in zehn Punkten gewählt. Ra wird durch Messung der mittleren Abweichung der Peaks von der Mittellinie der Spur ermittelt, wobei die Mittellinie als die Linie festgelegt wird, über und unter der sich eine gleiche Fläche zwischen der Mittellinie und der Oberflächenspur befindet. Es gibt kaum einen Unterschied zwischen den Werten des Mittelliniendurchschnitts (CLA) und des quadratischen Mittelwerts (RMS) für eine bestimmte Oberfläche. Es handelt sich um den Durchschnitt der einzelnen Gipfel-Tal-Höhen von n angrenzenden Stichprobenlängen. Die Veranschaulichung dieses Prinzips ist in Abb. 3 dargestellt.

2D-Grafik, generiert mit dem Mitutoyo Surftest SJ-210.

Darstellung der Ra- und Rz-Werte.

Zwanzig Versuche wurden durchgeführt, indem der Stift über die Proben geführt wurde. Die Proben werden in vier gleiche Segmente unterteilt. In jedem Segment werden fünf Versuche durchgeführt. Die Versuchssequenzen sind in Abb. 4 dargestellt. Die Versuche begannen im anterior-distalen Segment und endeten im anterior-proximalen Segment.

Sequenzen der Oberflächenprüfung.

Um die Vergleichsdaten zu erhalten, wurden schließlich Mittelwerte aller zwanzig Versuche für alle drei Oberflächenrauheitsparameter der neun verschiedenen Verhältnisse von Harz zu Härter ermittelt.

Tabelle 2 zeigt die benötigte Zeit für unterschiedliche Harz-Härter-Verhältnisse für zwei Harzarten. Die Zeit, die für einen Teil Epoxidharz und drei Teile Härter benötigt wird, wird nicht erfasst, da die Mischung nicht aushärtet. Die Aushärtungszeit von Acrylharz ist im Vergleich zu Epoxidharz kürzer. Die maximale Aushärtungszeit beträgt nur 167 Minuten, während die minimale Aushärtungszeit für Epoxidharz 480 Minuten beträgt.

Abbildung 5 zeigt die Werte für Ra-, Rq- und Rz-Werte für verschiedene Verhältnisse von Harz und Härter für Epoxidharz und Acrylharz. Epoxidharz mit einem Verhältnis von 3:2, Harz zu Härter zeigt bei allen Parametern die niedrigsten Werte. Während Acrylharz mit einem Verhältnis von 100:3 Harz zu Härter bei allen Parametern die höchsten Werte aufweist.

Mittlerer Ra-, Rq- und Rz-Wert verschiedener Harze und Verhältnisse.

Das Ergebnis zeigt, dass die Aushärtezeit von der Menge des verwendeten Härters abhängt. Mehr Härter härtet das Komposit schneller aus23,24. Wie wir sehen können, erhöht sich die Aushärtungszeit des Verbundwerkstoffs mit abnehmender Härtermenge, wie in Tabelle 2 gezeigt. Allerdings darf die Härtermenge die des Harzes nicht überschreiten, wodurch ein ungehärteter Verbundwerkstoff entsteht, wie wir es bei Epoxidharz sehen können Härter von 1:3 und der gleiche Fall trat auch mit dem Verhältnis von 2:3 auf, bei dem die Aushärtung der Pfanne einen Tag dauerte und das Komposit weich war. Daher müssen diese Verhältnisse vermieden werden. Die Aushärtezeit für Acrylharz zeigt ein klareres Muster, da die Zeit, die das Komposit zum Aushärten benötigt, mit zunehmender Härtermenge abnimmt. Die letzte Verhältniskombination übertrifft die vorherige jedoch um 4 Minuten. Dieses Muster zeigt das Verhalten von Acrylharz, bei dem eine mittlere Härtermenge im Vergleich zu einer niedrigen und einer hohen Härtermenge eine andere Einschalttemperatur aufweist25. Acryl weist eine schnellere Aushärtezeit auf, da es ein thermoplastisches Material ist, während Epoxidharz ein duroplastisches Material ist23,26.

Bei Epoxidharz wurde die glatteste Innenoberfläche durch das Harz-Härter-Verhältnis von 3:2, gefolgt von 3:1, 2:1 und schließlich mit einem Wert über 1, 2:3 erzeugt. Der Schaft, der mit einem Harz-Härter-Verhältnis von 1:3 hergestellt wurde, wurde von der Oberflächenprüfung ausgeschlossen, da der Verbundstoff nicht im flüssigen Zustand aushärtete. Dies liegt daran, dass die Menge der Epoxidmoleküle vollständig mit den Härtermolekülen reagiert und zusätzliche Härtermoleküle frei bleiben23,27. Sockel, die mit einem Harz-Härter-Verhältnis von 2:3 hergestellt werden, weisen im Vergleich zu anderen Epoxid-Sockeln die höchsten Ra-, Rq- und Rz-Werte auf, da der Sockel weich ist und sichtbare Falten wie in Abb. 6 erzeugt, die bei anderen Sockeln unsichtbar sind. Die Epoxidgruppen neigen bei einer Erhöhung der Härtermenge zur Reaktion mit primären Aminen. Dies erhöht die Zeit, die die Mischung zum Aushärten benötigt, und führt zu einer optimalen Zeit, die das Harz benötigt, um in die Verstärkungsmaterialien zu gleiten, die Lücke zu füllen, die Bildung von Luftblasen und Hohlräumen zu minimieren und das Absaugen von Luftblasen zu ermöglichen. Das Epoxidharz mit einem großen Härterüberschuss weist ein lockereres Epoxidnetzwerk23,24 auf.

Innenfläche der TF-Buchse mit einem Epoxidharz-Härter-Verhältnis von 2:3.

Bei Acrylharz hängt die Glätte der Innenflächen von der Menge des verwendeten Härters ab. Dies kann durch die Aushärtezeit des Verbundwerkstoffs beeinflusst werden. Da das Komposit langsam aushärtete, konnte die Harz-Härter-Mischung freier fließen und erzeugte im Vergleich zu anderen Verhältnissen mit schnellerer Aushärtezeit weniger Hohlräume. Die glatteste Oberfläche ergab sich durch das Verhältnis von 100:1, Harz zu Härter, mit einem Ra-Wert von 1,0086 µm, siehe Abb. 5. Wie bereits erwähnt, dauert die Aushärtung bei einem Verhältnis von 100:1 mit 167 Minuten am längsten Es wird erwartet, dass die glatteste Oberfläche entsteht. Ein Harz-Härter-Verhältnis von 100:2 verkürzte die Aushärtungszeit erheblich auf nur 43 Minuten und verdoppelte gleichzeitig den Ra-Wert auf 2,3622 µm im Vergleich zu einem Verhältnis von 100:1. Das Verhältnis 100:3 zeigt den höchsten Wert aller drei Parameter Ra, Rq und Rz. Dies ist etwas eigenartig, da die nächsten Verhältnisse 100:4 und 100:5 niedrigere Parameterwerte haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Initiatorgehalt mit einer geringen Anzahl freier Radikale verbunden ist, die die Monomere stören, und daher auch für eine Ausbreitung verantwortlich ist, die auf einer geringeren Anzahl wachsender Ketten mit größerer Länge basiert25,26. Bei Proben mit hohem Initiatorgehalt hingegen basiert die Vermehrung auf dem konkurrierenden Wachstum vieler sich kurz bildender Ketten aufgrund der größeren Anzahl verfügbarer freier Radikale. Folglich wird der Polymergehalt erhöht und kann den sogenannten Geleffekt fördern25,28 Dies deutet auf die Instabilität bei einem Verhältnis von 100:3 hin, aber die Mischung wird bei niedrigen und hohen Härtermengen stabiler.

Entscheidend ist, wie sich die zugehörigen Oberflächenkontakte hinsichtlich der Reibung verhalten. Die Oberflächenrauheit hat einen erheblichen Einfluss auf die Bestimmung der Reibung, da diese Variablen miteinander in Beziehung stehen29. Reibungsstudien liefern wichtige Informationen darüber, wie die Haut mit verschiedenen Oberflächen interagiert. Die Repositionsbereiche eines Positivabgusses üben im Falle eines Prothesenschafts den maximalen Druck aus30, da diese Regionen für die Regulierung der Restgliedbewegung im Schaft verantwortlich sind. Darüber hinaus hat die Gehgeschwindigkeit des Patienten einen unterschiedlichen Einfluss auf die Reibung31.

Der einfaktorielle ANOVA-Test in Tabelle 3 ergab, dass zwischen Epoxidharzdaten die Nullhypothese der Mittelwertgleichheit für alle Verhältnisse mit p-Wert = 1,00 nicht abgelehnt wird, die Nullhypothese der Mittelwertgleichheit zwischen Epoxid- und Acrylharz jedoch abgelehnt wird . Der Sockel aus Epoxidharz weist auf die Ablehnung der Nullhypothese der Mittelgleichheit hin zum Sockel aus Acrylharz mit einem Verhältnis von 100:1, da der p-Wert = 1 ist. Dies gilt auch für Acrylharz mit einem Verhältnis von 100:2, insbesondere bei Epoxidharz Harz im Verhältnis 2:3. Unterdessen zeigen Acrylharzverhältnisse von 100:3 bis 100:5 eine sehr große Bedeutung, da der p-Wert auf weniger als 0,001 berechnet wird. Zwischen den Acrylharz-Fassungen sind einige Verhältnisse statistisch ähnlich wie 100:1 zu 100:2, 100:2 zu 100:5, 100:3 zu 100:4 und schließlich 100:4 zu 100: 5.

Wie das Ergebnis zeigte, ist Epoxidharz hinsichtlich der Glätte der Innenoberfläche überlegen, die Herstellung dauert jedoch länger. Epoxidharz mit einem Harz-Härter-Verhältnis von 3:2 ergibt die glatteste Oberfläche. Das empfohlene Epoxidharz-Verhältnis beträgt jedoch 2:1, ergibt jedoch nicht die glatteste Oberfläche. Der Unterschied zwischen 2:1 und 3:2 ist mit nur 0,218 µm nicht so groß, sodass im weiteren Verlauf der Unterschied anderer mechanischer Eigenschaften das beste Verhältnis für die Herstellung einer laminierten Fassung bestimmt. Eine glattere Oberfläche der Oberschenkelpfanne bietet den Patienten mehr Komfort und kann den Rehabilitationsprozess bei längerer Verwendung der Prothese fördern (Ergänzungsinformationen).

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Arbeit wird finanziell vom Ministerium für Hochschulbildung Malaysias über das Fundamental Research Grant Scheme (FRGS/1/2018/TK03/UM/02/9) und der Universiti Malaya unterstützt.

Abteilung für Biomedizintechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia

Nik Abdul Muiz Nik Zainuddin, Nasrul Anuar Abd Razak und Noor Azuan Abu Osman

Fakultät für Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia

Mohd Sayuti Ab Karim

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NAMNZ, NAAR, MSAK schrieben den Hauptmanuskripttext und NAMNZ bereitete Feigen vor. 1, 2 und 3. NAAO führt die Analyse und Datenüberprüfung durch. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Nasrul Anuar Abd Razak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zainuddin, NAMN, Razak, NAA, Karim, MSA et al. Oberflächenprofilanalyse eines laminierten Oberschenkelprothesenschafts, hergestellt mit unterschiedlichen Verhältnissen von Epoxidharz und Acrylharz. Sci Rep 13, 2664 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21990-y

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Eingegangen: 28. Mai 2022

Angenommen: 07. Oktober 2022

Veröffentlicht: 15. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21990-y

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