Geri Dön

Design and manufacturing of fixation plates for bone fractures using voronoi structures: Experimental and finite element analysis of their mechanical strength

Voronoı yapıları kullanılarak kemik kırıkları için fiksasyon plaklarının tasarımı ve imalatı; mekanik dayanımlarının deneysel ve sonlu elemanlar analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 977949
  2. Yazar: MOHAMMED MAHMOOD HASAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DAVER ALI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Ortopedi ve Travmatoloji, Orthopedics and Traumatology
  6. Anahtar Kelimeler: Kırık fiksasyonu, Ortopedik implant, Plaklar, Biyomedikal malzeme, Mekanik testler, Fracture fixation, Orthopaedic implant, Plates, Biomedical material, Mechanical testing
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Karabük Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışmada, Kemik kırıkları, ortopedide önemli bir klinik sorun olup, geleneksel metal implantlara alternatif çözümlere olan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu bağlamda, biyokompozit reçineler kullanılarak sabitleme implantları, mekanik dayanıklılık ve biyolojik olarak parçalanabilirliği bir araya getiren umut verici bir çözüm sunmaktadır. Bu çalışma, ileri hesaplamalı tasarım metodolojilerini, mikro ölçekli mekanik analizi ve yüksek hassasiyetli eklemeli üretim tekniklerini entegre ederek yenilikçi gözenekli fiksasyon plakaları geliştirmeyi amaçlamaktadır. Çalışma, katı (gözeneksiz) bir model ve çeşitli yapılara sahip dört gözenekli model seti dahil olmak üzere 17 fiksasyon plakası modelinin tasarımını, üretimini ve analizini içermektedir. Tasarımlar, iki düzenli yapı (sekizli ve dörtgen) ve iki düzensiz yapı (Voronoi S1 ve Voronoi S2) olmak üzere dört farklı tasarım mimarisine dayanmaktadır. Plakalarda gözeneklik etkisini inceleme amaçla her dört plaka mimarisi dört farklı gözeneklilikle (%40, %50, %60 ve %70) tasarlanmıştır. Tüm modeller, 50:50 oranında PLA Pro ve P-CROWN V3 ışığa duyarlı reçinelerden oluşan gelişmiş bir kompozit malzemeden üretilmiştir. Sertliği ve biyoaktiviteyi artırmak için zirkonyum seramik parçacıkları takviye edilip, dijital ışık işleme (DLP) teknolojisi kullanılarak yüksek çözünürlüklü 3B baskı yöntemiyle üretilmiştir. Üretimden önce mekanik performansı tahmin etmek ve dayanıklılığı test etmek için tüm modelle Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) kullanarak değerlendirilmişlerdir. Analiz, toplam deformasyon ve von Mises gerilme değerlerine odaklanmıştır; test sonuçları deneysel eğilimlerle örtüşmekte ve gözeneklilik ve iç geometrinin implant plakasının mekanik performansı üzerindeki etkisini doğrulamaktadır. Tüm modeller laboratuvarda test edilmiş ve modellerin performansını değerlendirmek için üç nokta eğme testi gerçekleştirilmiştir. Her model için gerilme-gerinme eğrisi, maksimum gerilme ve kırılma enerjisi ölçülmüştür. Sonuçlar, gözenekliliğin implantın mekanik davranışı üzerindeki belirleyici faktör ve birincil etkiye sahip olduğunu, farklı mimari yapıların ise dayanıklılık üzerinde daha az bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymuştur. İncelenen tüm modeller arasında, %40 gözenekliliğe sahip Voronoi (S1-40) modeli en iyi performansı göstererek, uygun gözeneklilik seviyesini korurken en yüksek mekanik mukavemeti göstermiştir ve bu da onu kuvvet taşıyan kemik onarım uygulamaları için ideal bir aday oluğunu göstermiştir. Bu çalışma, hesaplamalı tasarım ve mikrofabrikasyonun entegre kullanımı yoluyla biyolojik olarak parçalanabilir gözenekli fiksasyon plakalarının geliştirilmesine metodolojik ve pratik katkılar sunmaktadır. Ayrıca, kemik implantlarının tasarımında mekanik gereksinimler ve biyolojik özellikler arasında optimum bir denge sağlamanın önemini vurgulamaktadır. Çalışma sonuçları, bu tasarımların in vivo ortamda etkinliğini değerlendirmek, biyolojik parçalanma oranlarını ve uzun vadeli osseointegrasyonu kolaylaştırma kapasitelerini araştırmak için ek araştırmalar önermektedir.

Özet (Çeviri)

In this study, bone fractures are prominent clinical challenge in orthopedics, highlighting the need for alternative solutions to traditional metal implants. In this context, implants fixed using bio-composite resins offer a promising solution that combines mechanical durability and biodegradability. This study aims to develop and evaluate innovative porous fixation plates by integrating advanced computational design methodologies, micromechanical analysis, and high-precision additive manufacturing techniques. The study involved the design, fabrication, and analysis of 17 fixation plate models, including a solid (non-porous) model and four sets of porous models with various structures. The designs were based on four different architectural patterns: two regular structures (octet and tesseract) and two irregular structures (Voronoi S1 and Voronoi S2). Each architectural pattern was designed with four porosity levels (40%, 50%, 60%, and 70%) to study the effect of porosity on mechanical properties. All of the models were made using high-resolution 3D printing with digital light processing (DLP) technology. The material used was an advanced composite made up of 50% PLA Pro and 50% P-CROWN V3 photosensitive resins, with zirconia ceramic particles added to make it stiffer and more bioactive. A comprehensive analysis using Finite Element Analysis (FEA) was performed on all models to predict mechanical performance and test durability before manufacturing. The analysis focused on total deformation and von Mises stress values; the test results corresponded with experimental trends, confirming the impact of porosity and internal geometry on the mechanical performance of the implant plate. Focus on the importance of numerical analysis in optimizing the design of the fracture plate. Then, all models were tested in the laboratory, including a three-point bending test, which was then conducted to evaluate the fracture strength performance of the models. The strength-deflection curve, maximum stress, and fracture energy were measured for each model. The results revealed that porosity was the decisive factor and the primary influence on the mechanical behavior of the implant, while the different architectural structures had a relatively minor effect on durability. Among all the models studied, the Voronoi (S1-40) model with 40% porosity emerged as the best-performing, demonstrating the highest mechanical strength while maintaining an appropriate porosity level, making it an ideal candidate for weight-bearing bone repair applications. This study provides methodological and practical contributions to the development of biodegradable porous fixation plates through the integrated use of computational design, simulation analysis, and microfabrication. It also highlights the importance of achieving an optimal balance between mechanical requirements and biological specifications in the design of bone implants. Based on the findings, future research should focus on three major areas: how these designs function in living organisms, their biodegradation rates, and the extent to which they support long-term osseointegration.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    251065

    Designing and manufacturing of porous spinal cages using Ti6Al4V foamed metal

    Ti6Al4V köpük metal ile gözenekli spinal kafes tasarımı ve imalatı

    MUSTAFA EREN DİZLEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA GÜDEN

  2. Tez No

    800713

    Peek matrisli polimer kompozit temelli insan omurga implantı geliştirilmesi ve granül ekstrüzyon yöntemi ile eklemeli imalatı

    Development of human spine implant based on peek matrix polymer composite and additive manufacturing by granule extrusion method

    MERVE BAĞCI BİLGEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ

  3. Tez No

    486673

    Ortopedik uygulamalar için Auxetic 316L paslanmaz çelik levhaların mekanik özellikleri

    Mechanical properties of Auxetic 316L stainless steel sheets for orthopedic applications

    VOLKAN AYDOĞDU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SUKHWINDER KAUR BHULLAR

  4. Tez No

    747623

    Eklemeli üretim ile üretilmiş gyroid humerus sabitleme plağının güvenirlik analizi

    Reliability analysis of gyroid humerus fixing plate manufactured with additive manufacturing

    OSMAN YAVUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyomühendislikErzurum Teknik Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İRFAN KAYMAZ

  5. Tez No

    1014739

    Parafonksiyonel alışkanlık varlığında Le Fort I osteotomisi sonrası maksiller fiksasyonda kişiye özel titanyum ve CFR-PEEK miniplakların stres dağılımının sonlu elemanlar analizi ile değerlendirilmesi

    Evaluation of stress distribution of custom-made titanium and CFR-peekminiplates in maxillary fixation after Le Fort I osteotomy in the presence of parafunctional habits using finite element analysis

    DUYGU SARITEMUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Diş Hekimliğiİstanbul Aydın Üniversitesi

    Ağız, Diş ve Çene Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KAĞAN DEĞERLİYURT

Geri Dön