骨折固定用ガラス繊維/サイザル繊維/キトサン強化ハイブリッドポリマーサンドイッチ複合足場の機械的特性に関する検討

Investigations on the Mechanical Properties of Glass Fiber/Sisal Fiber/Chitosan Reinforced Hybrid Polymer Sandwich Composite Scaffolds for Bone Fracture Fixation Applications.

• Soundhar Arumugam
• Jayakrishna Kandasamy
• Ain Umaira Md Shah
• Mohamed Thariq Hameed Sultan
• Syafiqah Nur Azrie Safri
• Mohd Shukry Abdul Majid
• Adi Azriff Basri
• Faizal Mustapha

抄録

本研究では、整形外科用長尺骨プレート用途のためのガラス繊維（GF）/サイザル繊維（SF）/キトサン（CTS）ハイブリッド複合材料の機械的特性を調査することを目的としている。GF/SF/CTSハイブリッド複合材料は、外層としてGF/CTS/エポキシ、内層としてSF/CTS/エポキシからなるユニークなサンドイッチ構造を有している。この複合材プレートは、人間の骨構造（スポンジ状の内層の海綿状マトリックスと剛直な外層の皮質）に似ている。調製したハイブリッドサンドイッチ複合材サンプルの機械的特性は、引張試験、曲げ試験、微小硬さ試験、および圧縮試験を用いて評価した。走査型電子顕微鏡(SEM)画像を用いて、これらの複合材料サンプルの破壊メカニズムを解析した。また、SF/CTS/エポキシおよびGF/SF/CTS/エポキシ複合材料の濡れ性を調べるために、シーソルドロップ法を用いた接触角試験および吸水試験を実施した。さらに，エタノール浸潤法を用いて，GF/SF/CTS複合材の空隙率を測定した．機械的試験の結果，GF/SF/CTS複合材料は，曲げ強度343MPa，引張強度146MPa，圧縮強度380MPaを示し，引張弾性率(6646MPa)，圧縮弾性率(2046MPa)に比べて曲げ試験のヤング率(21.56GPa)が高いことが明らかになった．濡れ性試験の結果、GF/SF/CTS複合材の足場は、SF/CTS複合材（6.953％）に比べて3.436％と吸水率が低く、疎水性（CA=92.41°±1.71°）であることがわかった。SF/CTS複合材は親水性を示した(CA=54.28°±3.06°)。実験試験の結果、GF/SF/CTSハイブリッド複合材料は、将来的に整形外科用骨折プレートの用途に使用できることが証明された。

This study aims to explore the mechanical properties of hybrid glass fiber (GF)/sisal fiber (SF)/chitosan (CTS) composite material for orthopedic long bone plate applications. The GF/SF/CTS hybrid composite possesses a unique sandwich structure and comprises GF/CTS/epoxy as the external layers and SF/CTS/epoxy as the inner layers. The composite plate resembles the human bone structure (spongy internal cancellous matrix and rigid external cortical). The mechanical properties of the prepared hybrid sandwich composites samples were evaluated using tensile, flexural, micro hardness, and compression tests. The scanning electron microscopic (SEM) images were studied to analyze the failure mechanism of these composite samples. Besides, contact angle (CA) and water absorption tests were conducted using the sessile drop method to examine the wettability properties of the SF/CTS/epoxy and GF/SF/CTS/epoxy composites. Additionally, the porosity of the GF/SF/CTS composite scaffold samples were determined by using the ethanol infiltration method. The mechanical test results show that the GF/SF/CTS hybrid composites exhibit the bending strength of 343 MPa, ultimate tensile strength of 146 MPa, and compressive strength of 380 MPa with higher Young's modulus in the bending tests (21.56 GPa) compared to the tensile (6646 MPa) and compressive modulus (2046 MPa). Wettability study results reveal that the GF/SF/CTS composite scaffolds were hydrophobic (CA = 92.41° ± 1.71°) with less water absorption of 3.436% compared to the SF/CTS composites (6.953%). The SF/CTS composites show a hydrophilic character (CA = 54.28° ± 3.06°). The experimental tests prove that the GF/SF/CTS hybrid composite can be used for orthopedic bone fracture plate applications in future.