DLP 3D printing and characterization of PEEK-acrylate composite biomaterials for hip-joint implants

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Hip joint replacement is considered the most complex and critically important orthopedic surgical procedure compared to knee and shoulder joint replacements. Over the past few decades, there has been significant advancement in hip joint replacement technology, and various biomaterials have been substantially improved. An increasing number of hip joint replacement surgeries are now successful, assisting individuals in regaining normal daily activity and work capacity comparable to their pre-fracture state. However, the need for revision surgery, specifically for implant replacement, is still observed in active patients several years following the initial operation. This underscores the need to develop durable biomaterials and customized hip joint implants to reduce implant wear and the risk of dislocation. This research study explores a novel PEEK-in-acrylate composite biomaterial with varied weight percentages of PEEK (0 %, 5 %, and 10 %) in an acrylate-based matrix. Tests were conducted to determine its properties, biocompatibility, and 3D printability. Based on the developed material, pins (in accordance with the ASTM standard) were fabricated using 3D printing for subsequent wear rate studies. The potential use of the developed composite materials for hip-joint applications was also thoroughly investigated. The purpose of this study is to develop and investigate a new PEEK in Acrylate composite biomaterial with varied weight percentages of PEEK (0 %, 5 %, and 10 %) in an acrylate-based matrix. The research includes an assessment of the material's properties, biocompatibility, and 3D printability. Using digital light processing (DLP) 3D printing technology at room temperature, pins (in accordance with the ASTM standard) were fabricated. An experimental study of dry sliding wear resistance was conducted on the resulting samples to determine the effect of PEEK weight fraction on the wear rate and frictional performance against an SS 316 steel disk. Scanning electron microscopy (SEM) and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were used to analyze the surface structure and element distribution within the material. The Methods of Investigation. Digital Light Processing (DLP) 3D Printing technique was used to 3D Print the ASTM pins and Acetabular liner with different weight fraction of PEEK in acrylate. Dry sliding wear tests were carried out using a pin-on-disk tribometer. During testing, the disk rotation speed and the normal load on the pin were varied. The studies were designed to determine the influence of input parameters on the wear rate. A total of nine experiments were conducted for each PEEK weight fraction, with a sliding distance of 4 km per experiment. The load ranged from 20 to 100 N, and the sliding speed varied from 450 to 750 rpm. Surface structure and element distribution were analyzed by Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Scanning electron microscopy (SEM). Result and Discussion. Current study demonstrates the advantages of varying the weight fraction of PEEK in Acrylate for DLP-fabricated biomaterials. Analysis of the SEM, EDS, and wear testing results indicated that the composite with 10 wt % PEEK in Acrylate exhibited superior microstructural integrity, elemental homogeneity, and significantly improved wear resistance. The 10 wt % PEEK in Acrylate composite, fabricated via DLP 3D printing, is suitable for biomedical implant and healthcare applications

About the authors

Y. Dama

Email: yogirajdama@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0009-0008-5404-4347
Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, yogirajdama@dbatu.ac.in

B. Jogi

Email: bfjogi@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0003-2099-7533
Professor, Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, bfjogi@dbatu.ac.in

R. Pawade

Email: rspawade@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0001-7239-625X
Associate Professor, Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, rspawade@dbatu.ac.in

S. Pal

Email: shibampal123456@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3681-5039
Ph.D. (Chemical), CSIR-National Chemical Laboratory, Pashan Pune, Maharashtra, 411008, India, shibampal123456@gmail.com

Y. Gaikwad

Email: gaikwadyogesh259@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-3211-0861
Ph.D. (Chemical), CSIR-National Chemical Laboratory, Pashan Pune, Maharashtra, 411008, India, gaikwadyogesh259@gmail.com

References

  1. The needs of current implant technology in orthopaedic prosthesis biomaterials application to reduce prosthesis failure rate / J.R. Ahmad, F.M. Aldo, S. Ifran, K. Tri, W. Yudan // Journal of Nanomaterials. – 2016. – Art. 5386924. – doi: 10.1155/2016/5386924.
  2. Garcia E., Fernandez A., Martin L. Comparative analysis of traditional and advanced materials for hip joint implants // Materials Science and Engineering C. – 2020. – Vol. 112. – P. 110857. – doi: 10.1080/17453674.2018.1427320.
  3. Developments of PEEK (Polyetheretherketone) as a biomedical material: a focused review / S. Verma, N. Sharma, S. Kango, S. Sharma // European Polymer Journal. – 2021. – Vol. 147. – P. 110295. – doi: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110295.
  4. PEEK for oral applications: recent advances in mechanical and adhesive properties / C. Luo, Y. Liu, B. Peng, M. Chen, Z. Liu, Z. Li, H. Kuang, B. Gong, Z. Li, H. Sun // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (2). – doi: 10.3390/polym15020386.
  5. D printing for hip implant applications: a review / O. Obinna, I. Stachurek, B. Kandasubramanian, J. Njuguna // Polymers. – 2020. – Vol. 12 (11). – P. 2682. – doi: 10.3390/polym12112682.
  6. Влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава / Й.Б. Дама, Б.Ф. Джоги, Р. Паваде, А.П. Кулкарни // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 19–40. – doi: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-19-40.
  7. Rapid construction of polyetheretherketone (PEEK) biological implants incorporated with brushite (CaHPO4·2H2O) and antibiotics for anti-infection and enhanced osseointegration / Z. Xue, Z. Wang, A. Sun, J. Huang, W. Wu, M. Chen, X. Hao, Z. Huang, X. Lin, S. Weng // Materials Science & Engineering: C. – 2020. – Vol. 111. – P. 110782. – doi: 10.1016/j.msec.2020.110782.
  8. Wear mechanism and debris analysis of PEEK as an alternative to CoCrMo in the femoral component of total knee replacement / X. Zhang, T. Zhang, K. Chen, H. Xu, C. Feng, D. Zhang // Friction. – 2023. – Vol. 11 (10). – P. 1845–1861. – doi: 10.1007/s40544-022-0700-z.
  9. Bioactive PEEK: surface enrichment of vitronectin-derived adhesive peptides / L. Cassari, A. Zamuner, G.M.L. Messina, M. Marsotto, H. Chen, G. Gonnella, T. Coward, C. Battocchio, J. Huang, G. Iucci, G. Marletta, L. Di Silvio, M. Dettin // Biomolecules. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 246. – doi: 10.3390/biom13020246.
  10. Yu D., Lei X., Zhu H. Modification of polyetheretherketone (PEEK) physical features to improve osteointegration // Journal of Zhejiang University-Science B. – 2022. – Vol. 23 (3). – P. 189–203. – doi: 10.1631/jzus.B2100622.
  11. D-printed PEEK/silicon nitride scaffolds with a triply periodic minimal surface structure for spinal fusion implants / X. Du, S. Ronayne, S.S. Lee, J. Hendry, D. Hoxworth, R. Bock, S.J. Ferguson // ACS Applied Bio Materials. – 2023. – Vol. 6 (8). – P. 3319–3329. – doi: 10.1021/acsabm.3c00383.
  12. Tailoring the biologic responses of 3D printed PEEK medical implants by plasma functionalization / X. Han, N. Sharma, S. Spintzyk, Y. Zhou, Z. Xu, F.M. Thieringer, F. Rupp // Dental Materials. – 2022. – Vol. 38 (7). – P. 1083–1098. – doi: 10.1016/j.dental.2022.04.026.
  13. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing processes for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – doi: 10.52783/cana.v31.559.
  14. Explainable AI techniques for comprehensive analysis of the relationship between process parameters and material properties in FDM-based 3D-printed biocomposites / N. Kharate, P. Anerao, A. Kulkarni, M. Abdullah // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (4). – P. 171. – doi: 10.3390/jmmp8040171.
  15. A comprehensive mechanical characterization of as-printed and saliva soaked 3D printed PEEK specimens for low-cost dental implant applications / K.U.K. Reddy, P.C. Verma, A. Rathi, P. Saravanan // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 36. – P. 106438. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2023.106438.
  16. Preclinical evaluation of a mini-arthroplasty implant based on polyetheretherketone and Ti6AI4V for treatment of a focal osteochondral defect in the femoral head of the hip / W. Zhang, Z. Yuan, X. Meng, J. Zhang, T. Long, Z. Yaochao, C. Yang, R. Lin, B. Yue, Q. Guo, Y. Wang // Biomedical Materials. – 2020. – Vol. 15 (5). – P. 055027. – doi: 10.1088/1748-605x/ab998a.
  17. D-printed PEEK/silicon nitride scaffolds with a triply periodic minimal surface structure for spinal fusion implants / X. Du, S. Ronayne, S.S. Lee, J. Hendry, D. Hoxworth, R. Bock, S.J. Ferguson // ACS Applied Bio Materials. – 2023. – Vol. 6 (8). – P. 3319–3329. – doi: 10.1021/acsabm.3c00383.
  18. Design and biomechanical verification of additive manufactured composite spinal cage composed of porous titanium cover and PEEK body / K.M. Lim, T.H. Park, S.J. Lee, S.J. Park // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (20). – P. 4258. – doi: 10.3390/app9204258.
  19. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer-based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.
  20. Effect of porous orthopaedic implant material and structure on load sharing with simulated bone ingrowth: a finite element analysis comparing titanium and PEEK / R.D. Carpenter, B.S. Klosterhoff, F.B. Torstrick, K.T. Foley, J.K. Burkus, C.S. Lee, K. Gall, R.E. Guldberg, D.L. Safranski // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2018. – Vol. 80. – P. 68–76. – doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.01.017.
  21. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – doi: 10.1063/5.0035408.
  22. Experimental investigation of dry sliding wear behavior of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.
  23. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.
  24. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.
  25. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1 (1). – P. 25–29. – doi: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.
  26. Pal S., Gaikwad Y., Asha S.K. Room temperature photocurable PEEK polymer formulations for high-performance 3D printing applications // ACS Applied Engineering Materials. – 2024. – Vol. 2 (6). – P. 1450–1459. – doi: 10.1021/acsaenm.4c00275.
  27. Biochar-reinforced PLA composite for fused deposition modeling (FDM): a parametric study on mechanical performance / P. Anerao, A. Kulkarni, Y. Munde, A. Shinde, O. Das // Composites Part C: Open Access. – 2023. – Vol. 12. – P. 100406. – doi: 10.1016/j.jcomc.2023.100406.
  28. Three-dimensional polyethylene wear of a press-fit titanium prosthesis / P.A. Devane, J.G. Horne, K. Martin, G. Coldham, B. Krause // The Journal of Arthroplasty. – 1997. – Vol. 12 (3). – doi: 10.1016/S0883-5403(97)90021-8.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».