Titanium/PMMA sandwich materials for biomedical 
applications: experiments and simulation

Nayak, Gargi, Shankar

doi:10.21268/20240308-0

Dissertation Fri Mar 8 2024 CC BY 4.0

published

Titanium/PMMA sandwich materials for biomedical applications: experiments and simulation

Nayak, Gargi Shankar

German
English

Der Bedarf an Implantat Materialien für den Ersatz von Hartgewebe wächst in hohem Tempo. Um diesen Bedarf zu decken, ist die Entwicklung neuer Biomaterialien seit Jahrzehnten ein wichtiges Forschungsgebiet. Vor diesem Hintergrund war das Hauptziel dieser Arbeit die Entwicklung von kraniomaxillofazialen Implantaten für patientenspezifische Anwendungen mit einem minimalen Stress-Shielding-Effekt, der bei metallischen Implantaten wie Ti ein großes Problem darstellt. Als ideale Materialstruktur wurden Kombinationen aus blechartigen Metall-Polymer-Metall-Sandwichmaterialien (SM) gewählt. Diese Verbundwerkstoffe bieten mehrere Vorteile für biomedizinische Anwendungen, z. B. abstimmbare mechanische Eigenschaften sowie hervorragende Schwingungs- und Wärmeisolationseigenschaften. Um die Implantate biokompatibel zu machen, wurde Ti als Hautmaterial zusammen mit PMMA als Kernmaterial verwendet. Da die Verbindung zwischen den beiden Materialien ebenfalls biokompatibel sein muss, wurde ein " Grafting from"-Verfahren angewandt, um PMMA auf Ti zu graftet. Dieses gegraftete PMMA wurde als Klebstoff verwendet, um eine gute Bindung zwischen dem Metall und dem Polymer zu erreichen. Die Verbindung wurde durch Heißpressen bei 150 °C durch Schmelzkleben erreicht. Um die SMs energiefreundlich zu machen, wurde ein neuartiges PBMA-ran-PMMA-Copolymer mit einer viel niedrigeren Glasübergangstemperatur (50 °C) als die von PMMA (103 °C) vom Partner entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit verarbeitet. Somit konnte die Verbindung in diesem Fall bei einer niedrigeren Temperatur (80 °C) erreicht werden. Die Haftfestigkeit der Ti-Copolymer-SMs war geringer (~10 MPa) als die der Ti-PMMA-SMs (~20 MPa), was auf die geringere Festigkeit des Copolymers zurückzuführen war, die zu einem kohäsiven Versagen der SMs führte, während bei den Ti-PMMA-SMs ein gemischtes Versagen beobachtet wurde. Die zweite Phase konzentrierte sich auf die Untersuchung der thermischen und Schwingungseigenschaften dieser SMs im Vergleich zu Ti. Eine thermische Isolierung ist für die Implantate erwünscht, um Zellschäden im umliegenden Gewebe zu vermeiden. Außerdem kann eine höhere Schwingungsdämpfung der Implantate verhindern, dass Teile wie das Gehirn durch eine plötzliche Beschädigung Schaden nehmen. Beide SMs zeigten deutlich bessere thermische und schwingungstechnische Eigenschaften als Ti. In der nächsten Stufe wurden die Formgebungsmöglichkeiten dieser SMs für PSI-Anwendungen durch V-Biege- und Tiefziehversuche untersucht. Da PMMA und Copolymer bei RT spröde sind, zeigten die bei RT durchgeführten Untersuchungen ein frühes Versagen beider SMs. Wurden die V-Biegeversuche jedoch in einem Temperaturbereich durchgeführt, in dem diese Polymere eine ausreichende Duktilität aufweisen, konnten die SMs ohne Versagen gebogen werden. Dies war bei den Tiefziehversuchen nicht der Fall, bei denen die SMs aus Ti-PMMA eine Schalenform mit minimalem Versagen erreichen konnten, während die SMs aus Ti-Copolymer mit Ohrdefekten behaftet waren. Dies war auf den schwachen Copolymerkern zurückzuführen, dem es auch an Duktilität mangelt, um multiaxialen Belastungen standhalten zu können. Zur Abschätzung der Umformbarkeit wurde eine passende Grenzformänderungskurve (FLC) für SMs anhand empirischer Gleichungen von Keller et al. berechnet, um den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung einer großen Anzahl von Proben zu minimieren, die für experimentelle Methoden wie Nakazima-Tests erforderlich sind. Die durch Tiefziehen und Zugversuche gewonnenen Umformbarkeitsdaten wurden zur Korrelation mit der geschätzten FLC herangezogen. Es zeigte sich, dass die theoretische FLC mit hoher Genauigkeit mit den experimentellen Ergebnissen korreliert, was auf eine große Wirksamkeit des theoretischen Ansatzes bei der Annäherung an die FLC hindeutet, was definitiv eine enorme Zeitersparnis mit sich bringt. Schließlich wurde ein Finite-Elemente-Modell (FEM) mit Abaqus entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften von Ti-PMMA-SMs nachzubilden. In der ersten Phase wurde ein Modell für RT erstellt. Die Ti-PMMA-Grenzfläche wurde mit dem Kohäsionszonenmodell (CZM) modelliert. Das Modell war in der Lage, die experimentellen Ergebnisse mit einer hohen Genauigkeit vorherzusagen. Anschließend wurde für die Simulation der Formgebung von SMs aus Ti-PMMA bei erhöhten Temperaturen (80 °C) ein Zweischichtmodell der Viskoplastizität (TLVP) für PMMA erstellt. Bei der Tiefziehsimulation von SMs wurde ein ähnliches Verhalten wie bei den experimentellen Ergebnissen festgestellt, was den Erfolg des Modells bei der Nachbildung des Verhaltens von PMMA bei erhöhten Temperaturen belegt.

The need for implant materials for hard tissue replacements have been increasing with a fast pace. To fulfil these demands, the development of new biomaterials is a top research area since decades. Keeping this in mind, the main goal of this work was to develop craniomaxillofacial implants for patient specific implants (PSI) applications, with a minimal stress shielding effect, being a major problem for metallic implants such as Ti. Combinations of sheet-like metal-polymer-metal sandwich materials (SMs) were chosen as the ideal material structure. These composites provide several benefits for biomedical applications, such as tuneable mechanical properties, along with great vibrational and thermal insulation properties. To make the implants biocompatible Ti was used as skin material along with PMMA as core material. As the bonding between them also needs to be biocompatible, a “grafting from” process was applied to graft PMMA on Ti. This grafted PMMA was used as an adhesive to achieve a good bonding between the metal and the polymer. The bonding was attained by hot-pressing at 150 °C via fusion bonding. To make the SMs energy friendly, a novel PBMA-ran-PMMA copolymer with a much lower glass transition temperature (50 °C) than that of PMMA (103 °C) was developed by the partner and processed within this work. Thus, the bonding in this case was possible to attain at a lower temperature (80 °C). The adhesion strength of the Ti-copolymer SMs were found lower (~10 MPa) than that of Ti-PMMA SMs (~20 MPa) due to the lower strength of the copolymer which resulted in cohesive failure of SMs, where mixed failure was seen for Ti-PMMA SMs. The second phase focussed on investigating the thermal and vibrational properties of these SMs as compared to Ti. Thermal insulation is desired for the implants to prevent the cell damage of nearby tissues. Along with that, higher vibrational damping of implants can prevent damage of parts such as brain due to sudden damage. Both SMs showed significantly better thermal and vibrational properties than that of Ti. In the next level, the shaping possibilities of these SMs for PSI applications were investigated via V-bending and deep drawing tests. As PMMA and copolymer are brittle at RT, the studies performed at RT showed an early failure for both SMs. However, when the V-bending tests were performed at a temperature range where these polymers have sufficient ductility, the SMs were able to bend without failure. This was not the case in the deep drawing tests, where Ti-PMMA SMs were able to attain a cup shape with minimal failure, whereas Ti-copolymer SMs were riddled with earing defects. This was due to the weak copolymer core which also lacks ductility to be able to handle multiaxial stress conditions. For the estimation of formability, a SMs fitting forming limit curve (FLC) was calculated using empirical equations provided by Keller et al. to minimize the time and cost required for developing huge number of specimens necessary for experimental methods such as Nakazima tests. The formability data obtained by deep drawing and tensile tests were used to correlate with the estimated FLC. The theoretical FLC proved to correlate with the experimental results with a high accuracy, suggesting a huge efficacy of the theoretical approach in approximating the FLC which can definitely save a huge amount of time. Finally, a finite element model (FEM) model was developed using Abaqus to replicate the mechanical properties of Ti-PMMA SMs. In the first phase, a model for RT was prepared. The Ti-PMMA interface was modelled using cohesive zone model (CZM). The model was able to predict the experimental results with a high accuracy. Afterwards, for simulating the Ti-PMMA SMs shaping at elevated (80 °C) temperatures, a two-layer viscoplasticity (TLVP) model was prepared for PMMA. In the deep drawing simulation of SMs, the behaviour of the PMMA was seen similar to the experimental results stating the success of the model in replicating the behaviour of PMMA at elevated temperatures.