Design and fabrication of scaffolds for bone with regular and irregular voronoi architectures; characterization of their mechanical performance experimentally and using finite element analysis
Düzenli ve düzensiz voronoi mimarilerine sahip kemik iskelelerinin tasarımı ve üretimi; mekanik özelliklerinin deneysel ve sonlu elemanlarla analizi
- Tez No: 976995
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DAVER ALI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Belirtilmemiş.
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kemik hastalıkları ve kritik boyutta defektlere neden olan travmatik yaralanmalar sıklıkla cerrahi müdahale gerektiren önemli bir klinik zorluk teşkil eder. Otogreftler ve allogreftler geleneksel çözümler olsa da donör bölgesi morbiditesi, enfeksiyon riski ve sınırlı tedarik gibi sınırlamaları vardır. Sentetik kemik iskeleleri, doğal kemiğin gözeneklilik mimarisini taklit edecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çalışma, trabeküler kemikte önemli bir yükleme modu olan basınç altında mekanik performansları için dört farklı iskele yapısını hesaplamalı olarak tasarladı ve deneysel olarak inceledi. Mimariler: (1) Düzenli Voronoi (Rv) tessellation (kontrollü gözeneklilik); (2) Düzensiz Voronoi (Iv) yapısı (doğal kemiğin rastgele gözenekliliğini mimik yapar); (3) kafes tabanlı Yıldız (S) yapısı; ve (4) Vintiles (V) mimarisi. Her mimari dört %50, %60, %70 ve %80 dört farklı gözeneklikle ve 16 farklı model oluşturuldu. Tüm modeller, yüksek çözünürlüklü dijital ışık işleme (DLP) 3B baskı teknolojisi kullanılarak üretildi. Malzeme etkisini değerlendirmek için ışığa duyarlı iki reçine kullanıldı: %50 PLA bazlı bir reçine (PLA-Pro) ve %50 P-CROWN içeren bir kompozit reçine (sertliği ve biyoaktiviteyi artırmak için zirkonyum/seramik partikülleri eklenmiştir). Ayrıca, basınç altındaki mekanik davranışlarını anlamak için tüm modellerde sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar analizinde toplam deformasyon ve von-Mises gerilme sonuçları, deneysel eğilimlerle tutarlıydı ve iskelelerin mekanik performansını belirlemede gözenekliliğin ve iç mimarinin rolünü önemli olduğunu göstermiştir. (Rv) modeli en yüksek dayanaklılığı gösterirken, (Iv) ve (V) modeller uygulanan yüke karşın doğrusal olmayan davranış göstermiştir. (S) modeli yüksek gözeneklilikte en fazla deformasyonu göstermiştir. Sonlu elemanlar analiz sonuçları kemik iskelelerinin tasarımında sayısal analizin önemini bir kez daha ortaya çıkarmıştır. Deneysel olarak mekanik özellikleri ölçmek için tek eksenli basınç testi kullanıldı ve yük taşıma kapasitesinin belirleyicisi olarak elastik modül ve maksimum basınç dayanımına ölçülmüştür. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarına benzer şekilde, deneysel bulgular gözenekliliğin mekanik davranışı etkileyen önemli bir faktör olduğunu göstermektedir. Tüm iskele modellerinde gözeneklilik ve mekanik özellikler arasında ters bir korelasyon bulunmuştur. Üretilen iskelelerin elastik modülü 4 ila 30 MPa arasında ölçülmüşütr ve insan trabeküler kemiğinin özelliklerine yakın olduğu görülmüştür. S-50 modeli (Star, %50 gözeneklilik) 17,75 MPa'lık maksimum basınç dayanımına sahipti ve bu değer S-80 modelinden (Star, %80 gözeneklilik) 20 kat daha fazlaydı ki bu da gözenekliliğin önemli rolünü göstermektedir. Mekanik özellikler üzerinde gözeneklik etkisi her dört farklı mimari grupta (Rv, Iv, V); aynı şekilde görülürmüştür ve %50 gözenekliliğe sahip iskeleler en yüksek mukavemet ve sertliği gösterirken, %80 gözenekliliğe sahip olanlar en düşük değerleri sergilemiştir. Iv iskelelerdeki gözenek dağılımı doğal kemik gibi rastgeledir ve mekanik nitelikleri (modül ve mukavemet) daha düzgün tasarımlara sahip iskelelerinkine (Rv, S, V) yakın bulunmuştur. Bu çalışmanın sonuçları rastgele yapılan iskelelerin kemik replasmanı için yeterince güçlü olabileceğini göstermiştir. Özellikle Voronoi yapısı olmak üzere gelişmiş mimari tasarımın biyoseramik-reçine kompozit malzemelerle birleştirilmesi, doğal kemiğin morfolojisini ve performansını taklit eden iskelelerin geliştirilmesinde umut verici sonuçlar verebileceği gösterilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, kemik defekti tedavisini hızlandırmak için mekanik gereksinimler ile biyolojik işlevsellik arasında denge sağlayan ideal yapıların ve hastaya özel iskelelerin seçimi ve tasarımına ışık tutmaktadır.
Özet (Çeviri)
Bone diseases and traumatic injuries that cause critical-sized defects present a major clinical challenge, often requiring surgery. Although autografts and allografts are conventional solutions, they have limitations such as donor site morbidity, infection risk, and limited supply. Synthetic bone scaffolds are engineered to mimic the porosity architecture of natural bone. This study computationally designed and experimentally studied four different scaffold structures for their mechanical performance under compression, an important loading mode in trabecular bone. The architectures 4 included (1) Regular Voronoi (Rv) tessellation (controlled porosity); (2) Irregular Voronoi (Iv) structure (simulating the random porosity of natural bone); (3) lattice based Star (S) structure; and (4) Vintiles (V) architecture. Recognizing porosity's fundamental role, each architectural design was developed at four levels: 50%, 60%, 70%, and 80%, creating 16 different models. All models were fabricated with high-resolution digital light processing (DLP) 3D printing technology. To assess material impact, two photosensitive resins were used: a 50% PLA-based resin (PLA-Pro) and a composite resin containing 50% P-CROWN (including zirconia/ceramic particles to improve stiffness and bioactivity). In addition, finite element analysis was carried out on all models to understand their mechanical behavior under compression. The total deformation and von-Mises stress results were consistent with experimental trends, confirming the role of porosity and internal architecture in determining the mechanical performance of scaffolds. The (Rv) model exhibited the highest stability, while the (Iv) and (V) models exhibited nonlinear behavior. The (S) model recorded the highest deformation at high porosity, highlighting the importance of numerical analysis in optimizing the design of bone scaffolds. Uniaxial compression testing was used to measure mechanical properties, with the main focus on elastic modulus and maximum compressive strength as indicators of load-bearing capability. Similar to finite element analysis results, the experimental findings show that porosity is a key factor influencing mechanical behavior. An inverse correlation was found between porosity and mechanical properties across all scaffold models. The elastic modulus of the fabricated scaffolds varied from 4 to 30 MPa, closely matching the properties of human trabecular bone. The S-50 model (Star, 50% porosity) had a maximum compressive strength of 17.75 MPa, over 20 times more than that of the S-80 model (Star, 80% porosity), highlighting the significant impact of porosity. This consistent effect was noted across all architectural groups (Rv, Iv, V), with scaffolds showing 50% porosity providing the highest strength and stiffness, while those with 80% porosity presented the lowest. The pore distribution in Iv scaffolds is random, like natural bone, and their mechanical qualities (modulus and strength) are similar to those of scaffolds with more uniform designs (Rv, S, V). The results of this work showed that scaffolds made at random can be strong enough for bone replacement. The innovative combination of advanced architectural design, particularly Voronoi structure, with bioceramic-resin hybrid materials represents a significant advance in the development of scaffolds that mimic the morphology and performance of natural bone. This study contributes to the advancement of patient-specific scaffolds, which in effect supports the building of ideal structures that achieve a balance between the mechanical requirements and the biological functionality for the purpose of improving bone defect treatment.
Benzer Tezler
- Bakır ve çinko içeren biyoaktif cam katkılı nanokompozit yapı iskelesi üretimi
Fabrication of nanocomposite scaffold with copper and zinc doped bioactive glasses
ZEYNEP ATASAYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Mechano-biology based optimal design and fabrication of multi-functional bone scaffolds
Mekanobiyoloji tabanlı optimal tasarım ve çok fonksiyonlu kemik iskelelerinin üretimi
MERVENAZ ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2025
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Design, fabrication and characterization of biodegradable scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine applications
Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp uygulamaları için biyoçözünür iskele yapılarının tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
MUHAMMAD ANWAAR NAZEER
Doktora
İngilizce
2018
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSKENDER YILGÖR
- Desıgn and development of bıoactıve quercetın-loaded plascaffold employıng 3D prıntıng for bone tıssueengıneerıng applıcatıons
Kemik doku mühendisliği uygulamaları için biyoaktifkuersetin yüklü pla iskelesinin 3B baskı ile tasarımı vegeliştirilmesi
MERT SÜGÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İKİLEM GÖCEK
- Kemik doku mühendisliği uygulamaları için 3B baskı ile polimer-seramik kompozit iskelelerinin geliştirilmesi
Development of polymer-ceramic composite scaffolds using 3d printing for bone tissue engineering applications
ENGİN GEPEK
Doktora
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN İYİBİLGİN