エポキシ樹脂とアクリル樹脂の比率を変えて作製した積層経大腿義足ソケットの表面形状解析

Dec 07, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2664 (2023) この記事を引用

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アクリルとエポキシは、ソケットの製造に使用される一般的なタイプの樹脂です。 さまざまな種類の樹脂が積層ソケットの内面に影響を与えます。 この論文は、積層プロテーゼソケットのエポキシ樹脂とアクリル樹脂の最適な比率の組み合わせを決定し、表面粗さについて積層プロテーゼソケットのさまざまな組み合わせの表面プロファイル分析を評価することを目的としています。 経大腿骨ソケットは、エポキシ樹脂の場合は 2:1、3:1、3:2、2:3、1:3、100:1、100:2、100:3、100 のさまざまな樹脂と硬化剤の比率を使用して作成されました。 ：4、アクリル樹脂の場合は100：5。 ４つの弾性ストッキネットと４つのパーロンストッキネットからなる８層のストッキネットを使用した。 大転子領域下の側面のソケットから 4 cm × 6 cm のサイズのサンプルを切り出しました。 ミツトヨ Sj-210 表面テスター スタイラスをサンプルに使用し、平均表面粗さ値 (Ra)、二乗平均平方根粗さ値 (Rq)、および十点平均粗さ値 (Rz) を求めました。 エポキシ樹脂はアクリル樹脂に比べて滑らかな表面を示し、Ra 値はそれぞれ 3:2、3:1、2:1、2:3 の比で 0.766 μm、0.9716 μm、0.9847 μm、1.5461 μm です。 ただし、比率が 1:3 のエポキシ樹脂の場合、硬化剤では硬化しません。 アクリル樹脂の Ra 値は、それぞれ 100:1、100:2、100:5、100:4、100:3 の比率で 1.0086 µm、2.362 µm、3.372 µm、4.762 µm、6.074 µm です。 製造される表面がより滑らかであることを考慮すると、積層ソケットの製造にはエポキシ樹脂がより良い選択です。

義肢装具は、欠損した身体の四肢の代わりとして製造される義肢です1、2。 義肢の目標は、ユーザーに通常の日常生活活動を回復させることです3,4。 これらのデバイスの製造には、熱成形や積層などのさまざまな製造技術が利用可能です5。 熱成形によりプラスチックシートが柔らかくなり、それをポジキャスト上に置き、ラミネート加工では樹脂と硬化剤を使用してポジキャストをコーティングします5、6、7。 これらのプロセスと材料により、プロテーゼソケットの異なる機械的特性が引き起こされました8。 エポキシの場合、樹脂と硬化剤の推奨比率は 2:1 ですが、アクリルの場合、前述のサプライヤーのカタログでは 100:1 ～ 3 となっています。

極限引張強さ、曲げ強さ、剛性などの機械的品質の点で、積層複合材料から製造されたプロテーゼソケットは、コポリマー熱可塑性ソケットよりも強いことがわかっています9、10、11。 建設中に引かれた真空の量、ウェットアウトの程度（強化材料への樹脂の飽和）、樹脂の種類、樹脂の量、および繊維強化の種類はすべて、積層補綴ソケットにばらつきを生み出す可能性があります5、12。 。

断端の表皮、皮下組織、血管、血流はすべて、動作によって生じる圧力と摩擦の影響を受けます。 皮膚表面の相互滑り摩擦は、角質層のバリア機能の効率を破壊し、皮膚外傷を誘発する傾向があります 13,14。 プロテーゼソケットとライナーの材料間の摩擦係数とエネルギー散逸は、両方とも表面粗さの影響を受けます15、16。 経大腿参加者のほとんどは、ストラップまたは吸引サスペンション (CSS) を使用していました17。 吸引サスペンションを使用する経大腿患者の場合、ソケットは患者の皮膚に直接接触するため、皮膚の状態に影響を与えます。

熱安定性に関しては、作成された複合材料は、同じ温度およびより高いエンタルピーでの劣化速度の低下という点で純粋なエポキシ樹脂を上回っており、天然繊維で強化されたエポキシ複合材料が純粋なエポキシ樹脂よりもはるかに優れていることが証明されました18。 アクリルは 33% 高い横引張強度と同等の弾性率を持っていました。 これは、同等の長手方向曲げ強度および弾性率を有していた。 横曲げ強さと弾性率はわずかに低かった。 優れた破壊靱性と耐剥離性を示しました。 顕微鏡写真により、アクリルの微細構造延性とエポキシの脆性破壊メカニズムが明らかになりました。 アクリルはエポキシよりも高いタンデルタピークを持っていました19,20。

しかし、エポキシ樹脂とアクリル樹脂の表面粗さの違いについては言及されていません。 したがって、この研究では、より快適な表面粗さの観点から補綴ソケットのより良い製造方法を決定するために、両方のタイプの樹脂の表面粗さを調査することに熱心に取り組んでいます。

この研究で使用された材料はアクリル樹脂です。 Orthocryl Laminierharz 80:20 (617H19) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Germany)、硬化剤として Ottobock 硬化粉末 (617P37) (Ottobock, Inc., Duderstadt, Germany) を含むエポキシ樹脂。 Epoxen CP362 パート A と硬化剤 CP362 パート B (Oriental Option Sdn Bhd、ペナン、マレーシア)。 ポリビニルアルコール (PVA) バッグは、Ottobock PVA シート (616F4) を使用して作成されました。 使用したスト​​キネットも Ottobock から入手した、幅 15 cm の Perlon Elastic ストキネット、白 (623T5 = 15) (Ottobock, Inc.、ドゥーダーシュタット、ドイツ) です。 弾性ストッキネットは、同じく幅 15 cm の義肢装具工学センター (CPOE) によって提供されました。

ポジティブギプスは、Center for Prosthetic and Orthotic Engineering (CPOE) から提供されたポリプロピレン経大腿ソケットをネガティブギプスにコピーすることによって得られました。 次に、ネガキャストに、POP 粉末と水を混合して作成した石膏 (POP) スラリーを充填しました。 ＰＯＰスラリーが硬化すると、ネガ型キャストが除去され、ポジ型キャストが修正され、平滑化された。

ラミネート技術は、ポジキャストのサイズに応じて 2 つのポリビニルアルコール (PVA) バッグを準備することから始まります。 8層の強化材のレイアップを、4枚のパーロンストキネットと4枚の弾性ストキネットからなるPVAバッグの間に入れました。 表 1 に示すように、600 ～ 610 g の範囲の樹脂と硬化剤の混合物を異なる配合比でカップ内で作成しました。

次に、溶液を PVA バッグと補強材のサンドイッチに注ぎました。 各ソケットは、アクリル樹脂とエポキシ樹脂を使用して、硬化が示されるまで熱くなるまで、無誘導性 20% 未満の真空吸引下で作成されました。 次に、積層複合材を一晩放置した後、ソケットのトリムラインの端を滑らかにしてソケットを仕上げました。 次に、積層ソケットをトリムラインに従って切断し、ポジキャストから引き抜きました。 サンプルの切り出しは、遠位端から 21 cm、内側壁から 3 cm のソケットの外側部分から採取され、サイズは 4 cm x 6 cm でした。

図 1 に示すように、積層された経大腿骨ソケットの表面は、約 4 cm × 6 cm の切り抜きサンプル (ベンチマーク サンプル) です。表面粗さを測定するための代表的なツールは表面粗さ計です。 Pe-Lite サンプル (Mitutoyo SurfTest SJ-210 シリーズ) の表面粗さを評価するために、卓上接触式粗面計が使用されました 21,22。 ダイヤモンドチップスタイラスを備えた格納式プローブが表面形状計に付属していました。 スタイラスの半径は 2.5 μm で、測定力は 0.75 mN でした。 各表面について 20 回の試験が実施されました。

サンプルの切り抜き。

トポグラフィー解析は、通信ソフトウェア プログラムに接続されたポータブル ガジェットを使用して実行されました。これにより、リアルタイム検査が記録され、図 2 に示すように 2D 解析グラフが自動的に表示されます。 平均表面粗さ (Ra)、二乗平均平方根粗さ (Rq) および十点平均粗さ (Rz) が粗さパラメータとして選択されました。 Ra は、トレースの中心線からのピークの平均偏差を測定することによって得られます。中心線は、中心線と表面トレースの間に等しい面積がある上下の線として確立されます。 特定の表面の中心線平均 (CLA) 値と二乗平均平方根 (RMS) 値の間にはほとんど違いはありません。 これは、隣接する n 個のサンプリング長の単一の山から谷までの高さの平均です。 この原理を図示したものが図 3 です。

ミツトヨ サーフテスト SJ-210 から生成された 2D グラフ。

Ra および Rz 値の図。

サンプル上でスタイラスを動かすことによって 20 回の試行が行われました。 サンプルは 4 つの等しいセグメントに分割され、各セグメントに対して 5 回の試行が実行されます。 トライアルのシーケンスを図 4 に示します。トライアルは前部遠位セグメントから開始し、前部近位セグメントで終了します。

表面テストのシーケンス。

最後に、比較データを取得するために、樹脂と硬化剤の 9 つの異なる比率の 3 つの表面粗さパラメーターすべてについて、20 回の試行すべての平均を実行しました。

表 2 は、2 種類の樹脂について、樹脂と硬化剤の比率を変えた場合にかかる時間を示しています。 エポキシ樹脂 1 部と硬化剤 3 部にかかる時間は、混合物が硬化しないため記録されません。 アクリル樹脂の硬化時間はエポキシ樹脂に比べて短く、最長所要時間はわずか 167 分ですが、エポキシ樹脂の場合、最短所要時間は 480 分です。

図5は、エポキシ樹脂とアクリル樹脂の樹脂と硬化剤の比率を変えたときのRa、Rq、Rzの値を示しています。 樹脂と硬化剤の比率が 3:2 のエポキシ樹脂は、すべてのパラメータで最も低い値を示します。 一方、樹脂と硬化剤の比率が 100:3 のアクリル樹脂は、すべてのパラメーターで最高の値を示します。

さまざまな樹脂と比率の平均 Ra、Rq、Rz 値。

結果は、硬化時間が使用した硬化剤の量に依存することを示しています。 硬化剤を増やすと、複合材料の硬化が速くなります23,24。 表 2 に示すように、硬化剤の量が減少すると複合材料の硬化時間が増加することがわかります。ただし、硬化剤の量は樹脂を超えてはなりません。これにより、エポキシ樹脂でわかるように、未硬化の複合材料が生成されます。硬化剤の比率が 1:3 の場合と、ソケットの硬化に 1 日かかり、複合材が柔らかい場合は、同じケースが 2:3 の比率でも発生しました。 したがって、これらの比率は避ける必要があります。 アクリル樹脂の硬化時間は、硬化剤が増加するにつれて複合材料の硬化にかかる時間が減少するため、より明確なパターンを示します。 ただし、最後の比率の組み合わせは、前の比率の組み合わせを 4 分上回っています。 このパターンは、中間量の硬化剤が低量および多量の硬化剤と比較して開始温度が異なるアクリル樹脂の挙動を示しています25。 アクリルは熱可塑性材料であるため、より速い硬化時間を示しますが、エポキシ樹脂は熱硬化性材料です23、26。

エポキシ樹脂の場合、最も滑らかな内面は、樹脂と硬化剤の比率が 3:2、次に 3:1、2:1、最後に 1、2:3 より大きい値で生成されます。 樹脂と硬化剤の比率が 1:3 で作られたソケットは、複合材料が硬化せず液体状態になったため、表面テストから除外されました。 これは、エポキシド分子の量が硬化剤分子と完全に反応し、余分な硬化剤分子が遊離状態に残るためです23,27。 樹脂と硬化剤の比率が 2:3 で作られたソケットは、ソケットが柔らかく、他のソケットでは見えない図 6 のような目に見えるしわができるため、他のエポキシソケットと比較して Ra、Rq、Rz 値が最も高くなります。 硬化剤の量が増えると、エポキシ基は第一級アミンと反応しやすくなります。 これにより、混合物の硬化にかかる時間が長くなり、樹脂が補強材の中で滑り、隙間を埋め、気泡の形成とボイドが最小限に抑えられ、気泡が吸引できるようになるまでに最適な時間がかかります。 硬化剤を大過剰に含むエポキシは、エポキシ ネットワークが緩くなります 23,24。

エポキシ樹脂と硬化剤の比率が 2:3 の TF ソケットの内面。

アクリル樹脂の場合、内面の平滑性は硬化剤の使用量に関係します。 これは複合材料の硬化時間の影響を受ける可能性があります。 複合材料がゆっくりと硬化するため、樹脂と硬化剤の混合物がより自由に流れるようになり、硬化時間が速い他の比率と比較して空隙が少なくなります。 図 5 を参照すると、樹脂と硬化剤の比率が 100:1 の場合、最も滑らかな表面が得られ、Ra 値は 1.0086 µm でした。前述したように、100:1 の比率では硬化に最も長い時間がかかります (167 分)。最も滑らかな表面が得られることが期待されます。 樹脂と硬化剤の比率を 100:2 にすると、硬化時間がわずか 43 分に大幅に短縮され、Ra 値も 100:1 の比率と比較して 2 倍の 2.3622 µm になりました。 比率 100:3 は、Ra、Rq、Rz の 3 つのパラメーターすべての最高値を示しますが、次の比率である 100:4 および 100:5 はパラメーター値が低いため、これは少し特殊です。 これは、開始剤の含有量がモノマーを妨害する少数のフリーラジカルと関連しているためであり、したがって、より長い長さのより少ない数の成長鎖に基づく伝播の原因にもなります 25,26。 一方、開始剤含有量の高いサンプルでは、​​利用可能なフリーラジカルの数が多いため、多くの短い形成鎖の競合的な成長に基づいて増殖します。 その結果、ポリマー含有量が増加し、いわゆるゲル効果が促進される可能性があります 25,28。これは、100:3 の比率では不安定ですが、硬化剤の量が少なくても多くても、混合物はより安定することを示唆しています。

関連する表面接触が摩擦に関してどのように動作するかが重要です。 これらの変数は相互に関連しているため、表面粗さは摩擦の決定に大きな影響を与えます29。 皮膚がさまざまな表面とどのように相互作用するかについての重要な情報は、摩擦の研究によって明らかになります。 ポジティブギプスの整復領域は、義肢ソケット 30 の場合、最大の圧力を発揮します。これは、これらの領域がソケット内での残肢の動きを調節する役割を担っているためです。 さらに、患者の歩行速度は摩擦にさまざまな影響を与えます 31。

表 3 の一元配置分散分析検定では、エポキシ樹脂データ間では、p 値 = 1.00 のすべての比の平均値が等しいという帰無仮説は棄却されませんが、エポキシ樹脂とアクリル樹脂の平均値が等しいという帰無仮説は棄却されることが明らかになりました。 。 エポキシ樹脂で作られたソケットは、p 値 = 1 であるため、比 100:1 のアクリル樹脂で作られたソケットと平均値が等しいという帰無仮説の棄却を示します。これは、特にエポキシの場合、比 100:2 のアクリル樹脂にも当てはまります。比率2:3の樹脂。 一方、100:3 ～ 100:5 のアクリル樹脂比は、p 値が 0.001 未満と計算されるため、非常に強い有意性を示します。 アクリル樹脂ソケット間では、100:1 と 100:2、100:2 と 100:5、100:3 と 100:4、最後に 100:4 と 100:2 など、統計的に類似した比率がいくつかあります。 5.

結果のとおり、内面の平滑性はエポキシ樹脂の方が優れていますが、加工に時間がかかります。 樹脂と硬化剤の比率が 3:2 のエポキシ樹脂は最も滑らかな表面を与えますが、指示されたエポキシ樹脂の比率は 2:1 ですが、これでは最も滑らかな表面は得られません。 2:1 と 3:2 の差はわずか 0.218 µm でそれほど重要ではないため、他の機械的特性の違いをさらに考慮して、積層ソケットの製造に使用する最適な比率が決まります。 経大腿ソケットの表面がより滑らかになると、患者はより快適になり、プロテーゼを長期間使用することでリハビリテーションのプロセスを促進できます (補足情報)。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、基礎研究助成制度 (FRGS/1/2018/TK03/UM/02/9) およびマラヤ大学を通じてマレーシア高等教育省から財政的に支援されています。

マレーシア、クアラルンプール、マラヤ大学工学部生体医工学科

ニック・アブドゥル・ムイズ ニック・ザイヌディン、ナスルル・アヌアール・アブド・ラザク、ヌール・アズアン・アブ・オスマン

マレーシア、クアラルンプール、マラヤ大学工学部機械工学科

モフド・サユティ・アブ・カリム

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NAMNZ、NAAR、MSAK が主要な原稿テキストを書き、NAMNZ が図を作成しました。 1、2、3。NAAO が分析とデータ検証を行います。 著者全員が原稿をレビューしました。

ナスルール・アヌアール・アブド・ラザクへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zainuddin、NAMN、Razak、NAA、Karim、MSA 他。 異なる比率のエポキシ樹脂とアクリル樹脂で製造された積層経大腿義足ソケットの表面プロファイル分析。 Sci Rep 13、2664 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-21990-y

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受信日: 2022 年 5 月 28 日

受理日: 2022 年 10 月 7 日

公開日: 2023 年 2 月 15 日

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

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