مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی خواص مکانیکی یک ماده متخلخل تابعی برای کاربرد در بافت‌های جایگزین به روش تحلیلی و عددی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
مواد بیولوژیک متخلخل دسته جدیدی از مواد هستند که با توجه به خواص مکانیکی ویژه نظیر سختی و چگالی قابل تعریف و نیز فراهم نمودن امکان رشد استخوان، برای کاربردهای مختلف پروتزهای بیولوژیک از جمله جایگزینی استخوان در نظر گرفته می‌شوند. از طرفی پیشرفت‌های اخیر در زمینه ساخت با استفاده از پرینتر ۳بعدی، امکان ساخت این مواد را با ریزساختارهای تعریف شده و کارآمد فراهم آورده است. در پژوهش پیش‌رو یک ماده متخلخل تابعی با تخلخل متغیر در لایه‌های مختلف مبتنی بر یک سلول واحد ارتوتروپیک جدید توسعه یافته و معرفی شده است. خواص مکانیکی این سازه ارتوتروپیک شامل مدول الاستیسیته و تنش تسلیم در جهات مختلف با توسعه روابط تحلیلی حاکم به شیوه تئوری محاسبه شده است. همچنین برای صحه‌گذاری نتایج تحلیل تئوری، مدل‌سازی عددی سازه در نرم‌افزار اجزاء محدود صورت گرفته است. نتایج تطابق مناسبی را بین روش تئوری و مدل‌سازی عددی نشان داده است. در ادامه با درنظرگرفتن سه سازه با میزان تخلخل‌های مختلف، خواص مکانیکی در هریک از لایه‌ها و نیز خواص کل سازه محاسبه شده است. خواص سازه‌های معرفی شده با خواص مکانیکی بافت استخوان تطابق خوبی را نشان داده است. در پایان تأثیر تغییرات مشخصه‌های مختلف سلول واحد ماده بر خواص مکانیکی کل سازه بررسی شده است و مشاهده شد که این تغییرات تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی کل سازه داشته و با تعیین مناسب مشخصه‌های هندسی می‌توان به کارآیی مناسب و توزیع مناسب خواص ماده برای کاربردهای مورد نظر دست یافت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Mechanical Properties of Functionally Graded Porous Biomaterials for Application in Prosthesis Replacement Using Analytical and Numerical Solution

نویسندگان English

M. Mahbod
M. Asgari
Mechanical Engineering Faculty, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Porous biomaterials are known as one of the brand new materials which considering the specific mechanical properties such as hardness and density and enabling bone growth are considered for various applications of biological prostheses including bone replacement. It has been entrenched that porous biomaterials can be produced considering defined representative volume elements by recent developments in additive manufacturing using a 3D printer. In this research, a novel functionally graded porous material is introduced based on a new representative volume element. The theoretical solutions are developed to calculation of the mechanical properties including elastic modulus and yield stress of the orthotropic material. Furthermore, numerical modeling was performed using finite element software to validate the theoretical analysis results. The results show good agreement between the theoretical method and numerical modeling. The mechanical properties of each layer as well as the properties of the whole structure have been studied considering the three structures with different porosity. As the results show, the obtained properties of the proposed structures are suitable for the application of the bone implant. Finally, the effect of geometrical features changes of representative volume elements on the mechanical properties of the structures has been studied. The results show that these changes had a significant impact on the mechanical properties of the structure and the proper efficiency and distribution of the material properties for the considered applications can be achieved by correctly defining the geometrical features.

1- Nair LS, Laurencin CT. Biodegradable polymers as biomaterials. Progress in Polymer Science. 2007;32(8-9):762-798. [Link] [DOI:10.1016/j.progpolymsci.2007.05.017]
Levine B. A new era in porous metals: applications in orthopaedics. Advanced Engineering Materials Banner. 2008;10(9):788-792. [Link] [DOI:10.1002/adem.200800215]
Murr LE, Gaytan SM, Medina F, Lopez H, Martinez E, Machado BI, et al. Next-generation biomedical implants using additive manufacturing of complex, cellular and functional mesh arrays. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2010;368(1917):1999-2032. [Link] [DOI:10.1098/rsta.2010.0010]
Sola A, Bellucci D, Cannillo V. Functionally graded materials for orthopedic applications-an update on design and manufacturing. Biotechnology Advances. 2016;34(5):504-531. [Link] [DOI:10.1016/j.biotechadv.2015.12.013]
Ehterami A, Saraeian P, Etemadi Haghighi S, Azami M. Preparation and characterization of barium titanate scaffold for bone tissue engineering. Modares Mechanical Engineering. 2018;17(12):417-422. [Persian] [Link]
Imani SM, Rabiee SM, Moazami Goudarzi A, Dardel M. Investigation of the mechanical properties of the porous scaffolds used in bone tissue engineering by means of micromechanical modeling. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(9):397-408. [Persian] [Link]
Helou M, Kara S. Design, analysis and manufacturing of lattice structures: an overview. International Journal of Computer Integrated Manufacturing. 2018;31(3):243-261. [Link] [DOI:10.1080/0951192X.2017.1407456]
Kruth JP, Leu MC, Nakagawa T. Progress in additive manufacturing and rapid prototyping. CIRP Annals. 1998;47(2):525-540. [Link] [DOI:10.1016/S0007-8506(07)63240-5]
Parthasarathy J, Starly B, Raman S, Christensen A. Mechanical evaluation of porous titanium (Ti6Al4V) structures with electron beam melting (EBM). Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2010;3(3):249-259. [Link] [DOI:10.1016/j.jmbbm.2009.10.006]
Heinl P, Körner C, Singer RF. Selective electron beam melting of cellular titanium: mechanical properties. Advanced Engineering Materials Banner. 2008;10(9):882-888. [Link] [DOI:10.1002/adem.200800137]
Hedayati R, Sadighi Mohammadi-Aghdam M, Zadpoor AA. Mechanical properties of regular porous biomaterials made from truncated cube repeating unit cells: analytical solutions and computational models. Materials Science and Engineering: C. 2016;60:163-183. [Link] [DOI:10.1016/j.msec.2015.11.001]
Babaee S, Haghpanah Jahromi B, Ajdari A, Nayeb-Hashemi H, Vaziri A. Mechanical properties of open-cell rhombic dodecahedron cellular structures. Acta Materialia. 2012;60(6-7):2873-2885. [Link] [DOI:10.1016/j.actamat.2012.01.052]
Hedayati R, Sadighi M, Mohammadi-Aghdam M, Zadpoor AA. Analytical relationships for the mechanical properties of additively manufactured porous biomaterials based on octahedral unit cells. Applied Mathematical Modelling. 2017;46:408-422. [Link] [DOI:10.1016/j.apm.2017.01.076]
Hedayati R, Sadighi M, Mohammadi-Aghdam M, Zadpoor AA. Mechanics of additively manufactured porous biomaterials based on the rhombicuboctahedron unit cell. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;53:272-294. [Link] [DOI:10.1016/j.jmbbm.2015.07.013]
Ahmadi SM, Campoli G, Amin Yavari S, Sajadi B, Wauthle R, Schrooten J, et al. Mechanical behavior of regular open-cell porous biomaterials made of diamond lattice unit cells. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2014;34:106-115. [Link] [DOI:10.1016/j.jmbbm.2014.02.003]
Karageorgiou V, Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials. 2005;26(27):5474-5491. [Link] [DOI:10.1016/j.biomaterials.2005.02.002]
Harrysson OLA, Cansizoglu O, Marcellin-Little DJ, Cormier DR, West II HA. Direct metal fabrication of titanium implants with tailored materials and mechanical properties using electron beam melting technology. Materials Science and Engineering: C. 2008;28(3):366-373. [Link] [DOI:10.1016/j.msec.2007.04.022]
Bragdon CR, Jasty M, Greene M, Rubash HE, Harris WH. Biologic fixation of total hip implants: Insights gained from a series of canine studies. The Journal of Bone and Joint Surgery. 2004;86(Supple 2):105-117. [Link] [DOI:10.2106/00004623-200412002-00015]
Murr LE, Gaytan SM, Martinez E, Medina F, Wicker RB. Next generation orthopaedic implants by additive manufacturing using electron beam melting. International Journal of Biomaterials. 2012;2012:245727. [Link] [DOI:10.1155/2012/245727]
de Wild M, Schumacher R, Mayer K, Schkommodau E, Thoma D, Bredell M, et al. Bone regeneration by the osteoconductivity of porous titanium implants manufactured by selective laser melting: a histological and micro computed tomography study in the rabbit. Tissue Engineering Part A. 2013;19(23-24):2645-2654. [Link] [DOI:10.1089/ten.tea.2012.0753]
Abele E, Stoffregen HA, Kniepkamp M, Lang S, Hampe M. Selective laser melting for manufacturing of thin-walled porous elements. Journal of Materials Processing Technology. 2015;215:114-122. [Link] [DOI:10.1016/j.jmatprotec.2014.07.017]
Yadroitsev I, Shishkovsky I, Bertrand P, Smurov I. Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective laser melting. Applied Surface Science. 2009;255(10):5523-5527. [Link] [DOI:10.1016/j.apsusc.2008.07.154]