Improvement of mechanical and biological properties of additive manufactured intervertebral discs by modeling with auxetic lattice structures
Eklemeli imalat yöntem ile üretilen intervertebral disklerin ökzetik kafes yapıda modellenerek mekanik ve biyolojik özelliklerinin geliştirilmesi
- Tez No: 1024275
- Danışmanlar: PROF. DR. MİHRİGÜL EKŞİ ALTAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İmal Usulleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bel ağrısı, dünya genelinde önemli bir sakatlık nedenidir ve sıklıkla dejeneratif omurga hastalıklarıyla ilişkilidir. Omurga stabilitesini sağlamak için geleneksel intervertebral füzyon kafesleri kullanılır; ancak implant hareketi, çökme ve yetersiz yük dağılımı sorun teşkil eder. Oksitik Ti6Al4V omurga füzyon kafesi, yük transferini, implant stabilitesini, aşınma ve yorulma direncini ve sinir dokusu deformasyonunu iyileştirir. Omurga füzyon kafesleri için lazer ışınlı toz yataklı füzyon (LB-PBF) yöntemiyle üretilen Ti6Al4V auxetik kafes yapılarının, mekanik davranış, tribolojik performans, yorulma direnci, biyouyumluluk ve yapısal performans açısından incelenmiştir. Hibrit bir omurga kafesi tasarımını iyileştirmek için oksitik açı (ϴ), eğimli destek uzunluğu (L) ve destek kalınlıkları (t₁ ve t₂) sonlu elemanlar analizi (FEA) ve sıkıştırma, aşınma, yorulma ve biyolojik testlerle değerlendirilmiştir. Sonlu Eleman Analizi (FEA), Poisson oranlarını -0,55 ile -1,48 arasında ve von Mises gerilimlerini 121-850 MPa arasında tahmin endarken, prismatic kafes numuneleri (20 × 20 × 30 mm³) üzerinde yapılan sıkıştırma testleri, 44-109 MPa arasında dayanım ve 1,9-4,6 arasında elastik modül değerleri göstermiştir. Elmas birim hücresi +0,44 Poisson oranına, 267 MPa von Mises gerilimine, 118 MPa sıkıştırma dayanımına ve 3,5 GPa elastik modülüne sahiptir. Auxetik yapılar, kuru karşılıklı aşınma testlerinde elmas yapılardan daha iyi performans göstermiş olup, aşınma oranları 0,0002-0,005 mm³/N·m ve sürtünme katsayıları 0,31-0,45'tir. Yüksek çevrimli stres testlerinde, t₂ = 1,25 mm olan auxetik yapı en kararlı yorulma tepkisini gösterirken, 2,5 mm'lik yapı hızlı plastik deformasyona uğradı. Yüksek gözenekli auxetik yapı, SaOs-2 hücreleriyle yapılan biyouyumluluk deneylerinde 21 gün sonra maksimum mineralleşmeyi sağlarken, düşük gözenekli yapı erken hücre büyümesini teşvik etti. L4-L5 bölgesine, auxetik ve elmas üniteli hücrelere sahip hibrit bir Ti6Al4V omurga füzyon kafesi uygulandı. Sonlu Elemanlar Analizi (FEA), 3000 N eksenel yük altında 454 MPa von Mises stresi ve 0,0139 mm deformasyon öngördü. Sıkıştırma testleri, 4,0 GPa elastik modül ve 511,9 kN yük taşıma kapasitesi göstererek tasarımın omurga füzyon potansiyelini kanıtladı.
Özet (Çeviri)
Low back pain is a prominent cause of disability globally and often related with degenerative spinal diseases. Traditional intervertebral fusion cages are utilized to restore spinal stability; however, implant movement, subsidence, and inadequate load distribution are issues. An auxetic Ti6Al4V spinal fusion cage enhances load transfer, implant stability, wear and fatigue resistance, and neural tissue deformation. Ti6Al4V auxetic lattice structures made by laser beam powder bed fusion (LB-PBF) for spinal fusion cages are examined for mechanical behavior, tribological performance, fatigue resistance, biocompatibility, and structural performance. FEA and compression, wear, fatigue, and biological testing assessed auxetic angle (ϴ), inclined strut length (L), and strut thicknesses (t₁ and t₂) to improve a hybrid spinal cage design. FEA projected Poisson's ratios of −0.55 to −1.48 and von Mises stresses of 121-850 MPa, while compression tests on prismatic lattice samples (20 × 20 × 30 mm³) indicated strengths of 44-109 MPa and elastic moduli of 1.9-4.6 The diamond unit cell has a +0.44 Poisson's ratio, 267 MPa von Mises stress, 118 MPa compressive strength, and 3.5 GPa elastic modulus. Auxetic structures outperformed diamond structures in dry reciprocating wear testing, with wear rates of 0.0002-0.005 mm³/N·m and friction coefficients of 0.31-0.45. In high-cycle stress testing, the auxetic structure with t₂ = 1.25 mm demonstrated the most stable fatigue response, while the 2.5 mm structure had rapid plastic deformation. The high-porosity auxetic structure produced the maximum mineralization after 21 days in biocompatibility experiments with SaOs-2 cells, while the low-porosity structure promoted early cell growth. The L4-L5 area received a hybrid Ti6Al4V spinal fusion cage with auxetic and diamond unit cells. FEA projected 454 MPa von Mises stress and 0.0139 mm deformation under 3000 N axial load. Compression tests showed 4.0 GPa elastic modulus and 511.9 kN load-bearing capacity, proving the design's spinal fusion potential.
Benzer Tezler
- Asetabular kapakların ökzetik yapıda modellenerek eklemeli imalat ile üretimi ve mekanik, morfometrik, biyolojik özelliklerinin geliştirilmesi
Additive manufacturing of acetabular cups modeled in auxetic structure and improvement of mechanical, morphometric, biological properties
BEYZA GAVCAR
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MİHRİGÜL EKŞİ ALTAN
- Seçici lazer ergitme yöntemi ile biyouyumlu iskelet yapılarının imalatı ve özelliklerinin geliştirilmesi
Manufacturing biocompatible scaffolds by selective laser melting method and improvement of properties
EMRE ÖZEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MİHRİGÜL ALTAN
- Additive manufacturing of Ti3C2TX mxene reinforced hydroxyapatite porous scaffolds
Ti3C2TX mxene takviyeli hidroksiapatit gözenekli yapı iskelelerinin eklemeli imalatı
PAŞA YAMAN
Doktora
İngilizce
2026
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEDRİ ONUR KÜÇÜKYILDIRIM
PROF. DR. CELALETDİN ERGUN
- Nanokompozit yapılı lif tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of nanocomposite fibers
NURAY KIZILDAĞ
Doktora
Türkçe
2017
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY UÇAR
- Kemik rejenerasyonu için metal oksit katkılı borotellüritesaslı yeni bir biyoaktif camın sentezi: Biyolojik ve mekaniközellikler
Synthesis of a novel metal oxide-doped borotellurite-basedbioactive glass for bone regeneration: Biological andmechanical properties
ESMANUR ORUÇ ULAŞ
Doktora
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiHarran ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ