Analyse du profil de surface d'une emboîture prothétique transfémorale laminée fabriquée avec différents ratios de résine époxy et de résine acrylique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2664 (2023) Citer cet article

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L'acrylique et l'époxy sont des types de résine couramment utilisés dans la fabrication de douilles. Différents types de résine affecteront la surface interne d'une douille laminée. Cet article vise à déterminer la meilleure combinaison de rapport pour la résine époxy et acrylique pour une emboîture de prothèse stratifiée et à évaluer l'analyse du profil de surface de différentes combinaisons d'emboîtures de prothèse stratifiées pour la rugosité de surface. Des emboîtures transfémorales ont été créées en utilisant divers rapports résine/durcisseur de 2:1, 3:1, 3:2, 2:3 et 1:3 pour la résine époxy et 100:1, 100:2, 100:3, 100:4 et 100:5 pour la résine acrylique. Huit couches de jersey composées de quatre jerseys élastiques et de quatre jerseys Perlon ont été utilisées. Un échantillon d'une taille de 4 cm × 6 cm a été découpé dans l'alvéole du côté latéral sous la zone du grand trochanter. Le stylet Mitutoyo Sj-210 Surface Tester a été passé à travers l'échantillon et a donné la valeur de rugosité de surface moyenne (Ra), la valeur de rugosité quadratique moyenne (Rq) et la valeur de rugosité moyenne en dix points (Rz). La résine époxy présente une surface plus lisse que la résine acrylique avec des valeurs Ra de 0,766 µm, 0,9716 µm, 0,9847 µm et 1,5461 µm avec des rapports de 3:2, 3:1, 2:1 et 2:3 respectivement. Cependant, pour la résine époxy avec un rapport 1:3, la résine ne durcit pas avec le durcisseur. En ce qui concerne la résine acrylique, les valeurs Ra sont de 1,0086 µm, 2,362 µm, 3,372 µm, 4,762 µm et 6,074 µm avec des rapports de 100 : 1, 100 : 2, 100 : 5, 100 : 4 et 100 : 3, respectivement. La résine époxy est un meilleur choix dans la fabrication d'une douille laminée étant donné que la surface produite est plus lisse.

Les prothèses sont des membres artificiels fabriqués en remplacement d'un membre manquant1,2. Les objectifs de la prothèse sont de restaurer les activités normales de la vie quotidienne de l'utilisateur3,4. Différentes techniques de fabrication disponibles dans la fabrication de ces dispositifs telles que le thermoformage et le laminage5. Là où le thermoformage ramollit une feuille de plastique et la place sur un moulage positif où la stratification utilise de la résine et un durcisseur pour recouvrir le moulage positif5,6,7. Ces procédés et matériaux induisaient différentes propriétés mécaniques d'une emboîture prothétique8. Le rapport recommandé entre la résine et le durcisseur pour l'époxy est de 2: 1 tandis que pour l'acrylique, le catalogue du fournisseur mentionné est de 100: 1–3.

En termes de qualités mécaniques telles que la résistance ultime à la traction, la résistance à la flexion et la rigidité, les emboîtures prothétiques fabriquées à partir de composites stratifiés se sont avérées plus résistantes que les emboîtures thermoplastiques en copolymères9,10,11. La quantité de vide tirée pendant la construction, le degré de mouillage (saturation de la résine dans le matériau de renforcement), le type de résine, la quantité de résine et le type de renforcement en fibre peuvent tous créer des variations dans les emboîtures prothétiques laminées5,12.

L'épiderme, le tissu sous-cutané, les vaisseaux sanguins et le flux sanguin du membre résiduel sont tous affectés par la pression et la friction créées par le mouvement. Un frottement de glissement réciproque sur la surface de la peau aurait tendance à dégrader l'efficacité de la fonction barrière de la couche cornée et à induire un traumatisme cutané13,14. Le coefficient de frottement et la dissipation d'énergie entre les matériaux de l'emboîture prothétique et du revêtement sont tous deux affectés par la rugosité de la surface15,16. La plupart des participants transfémoraux avaient utilisé soit une sangle, soit une suspension à succion (CSS)17. Pour un patient transfémoral avec suspension d'aspiration, l'emboîture s'interface directement avec la peau du patient, ce qui a un impact sur l'état de la peau.

En ce qui concerne la stabilité thermique, les composites créés ont surpassé la résine époxy pure en termes de taux de dégradation réduit à la même température et enthalpie plus élevée, prouvant que les composites époxy renforcés de fibres naturelles sont bien supérieurs à la résine époxy pure18. L'acrylique avait une résistance à la traction transversale supérieure de 33 % et un module équivalent. Il avait une résistance à la flexion longitudinale et un module comparables. Il avait une résistance à la flexion transversale et un module légèrement inférieurs. Il présentait une ténacité à la rupture et une résistance au délaminage supérieures. Les micrographies ont révélé une ductilité microstructurale dans l'acrylique et des mécanismes de rupture fragile dans l'époxy. L'acrylique avait un pic tan delta plus élevé que l'époxy19,20.

Cependant, la différence de rugosité de surface de la résine époxy et acrylique n'est mentionnée dans aucune étude. Ainsi, l'étude s'attache à étudier la rugosité de surface des deux types de résine afin de déterminer la meilleure fabrication d'une emboîture prothétique en termes de rugosité de surface pour un meilleur confort.

Les matériaux utilisés dans cette étude étaient la résine acrylique ; Orthocryl Laminierharz 80:20 (617H19) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Allemagne) avec de la poudre de durcissement Ottobock (617P37) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Allemagne) comme durcisseur, résine époxy; Epoxen CP362 partie A avec durcisseur CP362 partie B (Oriental Option Sdn Bhd, Penang, Malaisie). Le sac en alcool polyvinylique (PVA) a été fabriqué à l'aide d'une feuille Ottobock PVA (616F4). Stockinette utilisée également obtenue auprès d'Ottobock qui est la stokinette Perlon Elastic, blanche (623T5 = 15) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Allemagne) d'une largeur de 15 cm. Le jersey élastique a été fourni par le Center for Prosthetic and Orthotic Engineering (CPOE) avec une largeur également de 15 cm.

Le modèle positif a été obtenu en copiant une emboîture transfémorale en polypropylène fournie par le Center for Prosthetic and Orthotic Engineering (CPOE) dans un modèle négatif. Le moulage négatif a ensuite été rempli de suspension de plâtre de Paris (POP) fabriquée en mélangeant de la poudre de POP et de l'eau. Au fur et à mesure que la bouillie de POP durcissait, le moulage négatif a été retiré et le moulage positif a été modifié et lissé.

La technique de stratification commence par la préparation de 2 sachets d'alcool polyvinylique (PVA) en fonction de la taille du modèle positif. La superposition de 8 couches de matériaux de renforcement a été placée entre le sac PVA composé de 4 stokinettes en perlon et de 4 stokinettes élastiques. Un mélange de résine et de durcisseur compris entre 600 et 610 g a été préparé dans une coupelle avec un rapport de combinaison différent, comme indiqué dans le tableau 1.

La solution a ensuite été versée dans le sandwich sac PVA-matériaux de renforcement. Chaque douille a été fabriquée à l'aide de résine acrylique et de résine époxy sous aspiration sous vide de moins de 20 % non inductive jusqu'à ce qu'elle soit chaude indiquant qu'elle a durci. Le composite stratifié a ensuite été laissé pendant la nuit avant de terminer la douille en lissant le bord de la ligne de coupe de la douille. La douille laminée a ensuite été découpée en fonction de la ligne de coupe à retirer du moulage positif. Un échantillon découpé a été prélevé de la partie latérale de l'alvéole à 21 cm de l'extrémité distale et à 3 cm de la paroi médiale de 4 cm x 6 cm.

Les surfaces d'emboîtures transfémorales laminées échantillonnent des découpes d'environ 4 cm × 6 cm (échantillons de référence) comme illustré à la Fig. 1. Un profilomètre est un outil typique pour déterminer la rugosité de surface. Un profilomètre de contact de table a été utilisé pour évaluer la rugosité de surface des échantillons de Pe-Lite (série Mitutoyo SurfTest SJ-210)21,22. Une sonde rétractable avec un stylet à pointe de diamant a été incluse avec le profilomètre. Le stylet avait un rayon de 2,5 μm et était équipé d'une force de mesure de 0,75 mN. Pour chaque surface, vingt essais ont été effectués.

Découpes d'échantillons.

L'analyse topographique a été réalisée à l'aide d'un gadget portable connecté à un logiciel de communication permettant d'enregistrer l'inspection en temps réel et d'afficher automatiquement les graphiques d'analyse 2D, comme illustré à la Fig. 2. La rugosité de surface moyenne (Ra), la rugosité quadratique moyenne (Rq) et la rugosité moyenne en dix points (Rz) ont été choisies comme paramètres de rugosité. Ra est obtenu en mesurant l'écart moyen des pics par rapport à la ligne centrale de la trace, la ligne centrale étant établie comme la ligne au-dessus et en dessous de laquelle il y a une aire égale entre la ligne centrale et la trace de surface. Il y a peu de différence entre les valeurs de la moyenne de la ligne centrale (CLA) et de la moyenne quadratique (RMS) pour une surface donnée. Il s'agit de la moyenne des hauteurs de crête à vallée d'un nombre n de longueurs d'échantillonnage adjacentes. L'illustration de ce principe est illustrée à la Fig. 3.

Graphique 2D généré à partir du Mitutoyo Surftest SJ-210.

Illustration des valeurs Ra et Rz.

Vingt essais ont été menés en exécutant le stylet sur les échantillons. Les échantillons sont divisés en quatre segments égaux cinq essais sont effectués sur chaque segment. Les séquences des essais sont présentées sur la Fig. 4. Les essais débutent à partir du segment antéro-distal et se terminent sur le segment antéro-proximal.

Séquences d'essais de surface.

Enfin, pour obtenir les données de comparaison, les moyennes des vingt essais ont été effectuées pour les trois paramètres de rugosité de surface des neuf rapports différents de résine sur durcisseur.

Le tableau 2 montre le temps nécessaire pour différents rapports de résine et de durcisseur pour deux types de résine. Le temps nécessaire pour une partie de résine époxy et trois parties de durcisseur n'est pas enregistré car le mélange ne durcit pas. Le temps de durcissement de la résine acrylique est plus court que celui de la résine époxy avec un temps maximum de seulement 167 min tandis que pour la résine époxy, le temps minimum est de 480 min.

La figure 5 montre les valeurs des valeurs Ra, Rq et Rz pour différents rapports de résine et de durcisseur pour la résine époxy et la résine acrylique. La résine époxy avec un rapport de 3: 2, la résine au durcisseur affiche les valeurs les plus basses pour tous les paramètres. Tandis que la résine acrylique avec un rapport résine/durcisseur de 100:3 affiche les valeurs les plus élevées pour tous les paramètres.

Valeur moyenne Ra, Rq, Rz de différentes résines et ratios.

Le résultat montre que le temps de durcissement dépend de la quantité de durcisseur utilisée. Plus de durcisseur durcira le composite plus rapidement23,24. Comme nous pouvons voir que le temps de durcissement du composite augmente à mesure que la quantité de durcisseur diminue, comme indiqué dans le tableau 2. Cependant, la quantité de durcisseur ne doit pas dépasser la résine, cela a produit un composite non durci comme nous pouvons le voir avec résine époxy au durcisseur de 1: 3 et le même cas s'est également produit avec le rapport de 2: 3 où la douille prend une journée à durcir et le composite est mou. Ces ratios doivent donc être évités. Le temps de durcissement de la résine acrylique montre un schéma plus clair à mesure que le temps nécessaire au composite pour durcir diminue à mesure que le durcisseur augmente. La dernière combinaison de rapport dépasse cependant la précédente de 4 min. Ce modèle montre le comportement de la résine acrylique où une quantité intermédiaire de durcisseur a une température de début différente par rapport à une faible quantité et une grande quantité de durcisseur25. L'acrylique présente un temps de durcissement plus rapide car il s'agit d'un matériau thermoplastique, tandis que la résine époxy est un matériau thermodurcissable23,26.

Pour la résine époxy, la surface interne la plus lisse a été produite par le rapport résine/durcisseur de 3:2 suivi de 3:1, 2:1 et enfin avec une valeur supérieure à 1, 2:3. La douille fabriquée avec un rapport résine / durcisseur de 1: 3 a été exclue des tests de surface car le composite n'a pas durci et s'est retrouvé à l'état liquide. Cela est dû à la quantité de molécules d'époxyde qui réagissent complètement avec les molécules de durcisseur, laissant une molécule de durcisseur supplémentaire libre23,27. La douille fabriquée avec un rapport résine / durcisseur de 2: 3 a les valeurs Ra, Rq et Rz les plus élevées par rapport aux autres douilles en époxy car la douille est douce et produit des rides visibles comme sur la Fig. 6 qui sont invisibles dans d'autres douilles. Les groupes époxy sont sujets à réagir avec les amines primaires avec une augmentation de la quantité de durcisseur. Cela augmente le temps nécessaire au mélange pour durcir et se traduit par un temps optimal pour que la résine glisse dans les matériaux de renforcement, comble l'espace, minimise la formation et le vide des bulles d'air et permet aux bulles d'air d'être aspirées. L'époxy avec un grand excès de durcisseur a un réseau époxy plus lâche23,24.

Surface interne de la douille TF avec un rapport résine époxy/durcisseur de 2:3.

Comme pour la résine acrylique, le lissé des surfaces internes est lié à la quantité de durcisseur utilisée. Cela peut être affecté par le temps de durcissement du composite. Au fur et à mesure que le composite durcissait lentement, le mélange résine-durcisseur pouvait s'écouler plus librement, créant moins de vides par rapport à d'autres rapports qui ont un temps de durcissement plus rapide. La surface la plus lisse a été donnée par le rapport de 100: 1, résine sur durcisseur, avec une valeur Ra ​​de 1,0086 µm, comme indiqué à la Fig. 5. Comme indiqué, le rapport 100: 1 prend le plus de temps pour durcir, 167 min, il devrait donc produire la surface la plus lisse. Le rapport résine/durcisseur de 100:2 a considérablement réduit le temps de durcissement à seulement 43 min, ce qui a également doublé la valeur Ra ​​à 2,3622 µm par rapport au rapport de 100:1. Le rapport de 100:3 montre la valeur la plus élevée des trois paramètres Ra, Rq et Rz, c'est un peu particulier car le rapport suivant qui est de 100:4 et 100:5 a des valeurs de paramètres inférieures. Cela est dû au fait que les teneurs en initiateurs sont associées à un petit nombre de radicaux libres perturbant les monomères et, par conséquent, également responsables d'une propagation basée sur un nombre inférieur de chaînes en croissance avec une plus grande longueur25,26. Échantillon à haute teneur en initiateur, d'autre part, la propagation est basée sur la croissance compétitive de nombreuses chaînes de formation courtes en raison du plus grand nombre de radicaux libres disponibles. Par conséquent, la teneur en polymère est augmentée et peut favoriser ce que l'on appelle l'effet de gel25,28. Cela suggère l'instabilité avec le rapport 100:3, mais le mélange devient plus stable avec une quantité faible et élevée de durcisseur.

La façon dont les contacts de surface associés se comportent vis-à-vis du frottement est essentielle. La rugosité de surface joue un rôle important dans la détermination du frottement puisque ces variables sont liées les unes aux autres29. Des informations importantes sur la façon dont la peau interagit avec différentes surfaces sont révélées par des études de friction. Les zones de réduction d'un plâtre positif exerceront la pression maximale dans le cas d'une emboîture prothétique30 puisque ces régions sont chargées de réguler le mouvement du membre résiduel dans l'emboîture. De plus, la vitesse de marche des patients aura un impact varié sur la friction31.

Le test ANOVA à une voie dans le tableau 3 a révélé qu'entre les données de résine époxy ne rejetaient pas l'hypothèse nulle d'égalité des moyennes pour tous les rapports avec une valeur de p = 1,00, mais il y a un rejet de l'hypothèse nulle d'égalité des moyennes entre la résine époxy et la résine acrylique. La douille en résine époxy indique le rejet de l'hypothèse nulle d'égalité des moyens par rapport à la douille en résine acrylique avec un rapport 100: 1 car la valeur p = 1 cela s'applique également à la résine acrylique avec un rapport 100: 2, en particulier avec la résine époxy avec un rapport 2: 3. Pendant ce temps, les rapports de résine acrylique de 100: 3 à 100: 5 montrent une très forte signification car la valeur p est calculée comme étant inférieure à 0,001. Entre les douilles en résine acrylique, quelques ratios sont statistiquement similaires, tels que 100:1 avec 100:2, 100:2 avec 100:5, 100:3 avec 100:4 et enfin 100:4 avec 100:5.

Comme résultat affiché, la résine époxy est supérieure en termes de douceur de la surface interne mais sa fabrication prend plus de temps. La résine époxy avec un rapport résine / durcisseur de 3: 2 donne la surface la plus lisse, cependant le rapport de résine époxy indiqué est de 2: 1 mais il ne donne pas la surface la plus lisse. La différence entre 2:1 et 3:2 n'est pas si significative avec seulement 0,218 µm donc plus loin la différence d'autres propriétés mécaniques déterminera le meilleur rapport à utiliser dans la fabrication d'une douille laminée. Une surface plus lisse de l'emboîture transfémorale offrira aux patients plus de confort et peut favoriser le processus de rééducation avec une utilisation plus longue de la prothèse (informations supplémentaires).

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Le travail est soutenu financièrement par le ministère de l'Enseignement supérieur de Malaisie via le programme de subventions de recherche fondamentale (FRGS/1/2018/TK03/UM/02/9) et Universiti Malaya.

Département de génie biomédical, Faculté de génie, Universiti Malaya, Kuala Lumpur, Malaisie

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

Département de génie mécanique, Faculté de génie, Universiti Malaya, Kuala Lumpur, Malaisie

Mohd Sayuti Ab Karim

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NAMNZ, NAAR, MSAK ont écrit le texte principal du manuscrit et NAMNZ a préparé des figues. 1, 2 et 3. NAAO effectue l'analyse et la vérification des données. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Nasrul Anuar Abd Razak.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zainuddin, NAMN, Razak, NAA, Karim, MSA et al. Analyse du profil de surface d'une emboîture prothétique transfémorale laminée fabriquée avec différents ratios de résine époxy et de résine acrylique. Sci Rep 13, 2664 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21990-y

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Reçu : 28 mai 2022

Accepté : 07 octobre 2022

Publié: 15 février 2023

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

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