توصيفگر ها :
ايمپلنت تركيبي , ساختار آگزتيك , همگن سازي , فشار خارج از محور , سپر تنشي
چكيده فارسي :
چكيده
در اين پژوهش يك ايمپلنت تركيبي جديد متشكل از دو ساختار مشبك لانهزنبوري و آگزتيك با نسبت متغير سلول در طول ساق، معرفي و عملكرد آن با شش مدل ديگر ايمپلنت ران از نظر توزيع تنش و كرنش و كيفيت اتصال استخوان و ايمپلنت مقايسه شد. مكان هندسي تارخنثي براي ساختار تركيبي تحت فشار خارج از محور با استفاده از روابط تحليلي مشخص و به عنوان مرز بين سلول‌هاي آگزتيك و لانهزنبوري در ايمپلنت تركيبي پيشنهاد شد. مدل سه‌بعدي ايمپلنت و استخوان در نرم‌افزارهاي اينونتور و ساليدوركز توليد شد و سپس در نرم‌افزار آباكوس بهروش اجزاء محدود چندمقياسه تحليل شد. براي پيش‌بيني خواص مكانيكي اورتوتروپيك در سطح ميكرو، يك سلول واحد از ساختارهاي آگزتيك و لانهزنبوري با اعمال شرايط مرزي تناوبي همگن‌سازي شد. نتايج به‌دست‌آمده از روش همگن‌سازي با نتايج عددي، تحليلي و تجربي تأييد شدند. سپس ضرايب الاستيك محاسبه‌شده به عنوان ورودي براي تحليل ايمپلنت در سطح ماكرو تحت فشار خارج از محور مورد استفاده قرار گرفت. مطابق نتايج، در صورت استفاده از ساختار تركييي در ايمپلنت ران، ساختار از طرفين منبسط ميشود و در نتيجه از لقي ايمپلنت در محل اتصال آن با استخوان جلوگيري ميشود. ايمپلنت تركيبي موجب توزيع تنش يكنواختتري هم در سطح مشترك تماس بين ايمپلنت و استخوان و هم داخل ساختمان ايمپلنت مي‌شوند كه كاهش سپر تنشي را به دنبال خواهد داشت. حداكثر تنش فونميسز در ساق ايمپلنت تركيبي 22 مگاپاسكال است كه نسبت به ساير مدلها كمترين مقدار بوده و حدود 11 برابر كمتر از مدل جامد توپر است. تقريباً در تمام قسمت‌هاي تماس استخوان و ايمپلنت تركيبي، تنش فشاري ايجاد ميشود كه موجب ثبات بهتر ايمپلنت داخل استخوان ميشود. ساير مدلها در قسمتهايي از لبهي مياني و بيروني داراي مقادير مثبت تنش عرضي در استخوان هستند كه اين موضوع از نشانه‌هاي لقي ايمپلنت است. هم‌چنين تنها در مدل تركيبي هر دو لبه مياني و بيروني كرنش عرضي مثبت در طول ساق ايمپلنت دارد كه اين امر موجب افزايش انبساط عرضي و بهبود ثبات ايمپلنت داخل استخوان ميشود. در لبه بيروني ايمپلنت جايي كه احتمال لق‌شدن ايمپلنت توپر به خاطر ايجاد كرنش عرضي منفي و انقباض هست، ايمپلنت تركيبي كرنش عرضي مثبت را تجربه مي‌كند و در لبه مياني آن هم كرنش عرضي مثبت حدوداً 9/4 برابر بزرگتر از كرنش عرضي مدل جامد توپر ايجاد ميشود.
چكيده انگليسي :
Abstract
In this research, a new hybrid implant consisting of two porous structures, honeycomb and auxetic, with a variable ratio of cells along the stem was introduced and its performance was compared to six other implant models in terms of stress and strain distribution and the connection quality between the bone and the implant. The geometric location of the neutral axis for the hybrid structure was determined using analytical relations and was proposed as the boundary between the auxetic and honeycomb cells in the hybrid implant. The 3D model of implant and bone was produced with Inventor and SolidWorks softwares, and then analyzed in Abaqus software using the multi-scale finite element method. In order to predict the orthotropic mechanical properties at the micro level, a unit cell of honeycomb and auxetic structures was homogenized by applying the periodic boundary conditions. The results obtained by the homogenization technique were validated against numerical, analytical and experimental results. The calculated elastic coefficients were then used as input for the analysis of the implant at the macro level under off-axis compression. According to the results, if the hybrid structure is used in the hip implant, the structure expands from the sides, and as a result, the loosening of the implant at its connection with the bone is prevented. The hybrid implants cause a more uniform stress distribution both in the interface between the implant and the bone and inside the implant structure, which will reduce the stress shielding. The maximum von Mises stress in the hybrid implant stem is 22 MPa, which is the lowest value compared to other models and is about 11 times less than the solid model. At the connection between the bone and the hybrid implant, the compressive stress is created, which causes better stability of the implant inside the bone. Other models have positive values of transverse stress in the bone at the medial and lateral edges, which is one of the signs of implant loosening. Furthermore, only in the hybrid implant, both the medial and lateral edges experience positive transverse strains along the implant stem, which increases the transverse expansion and improve the stability of the implant inside the bone. At the lateral edge of the implant, where solid implant are likely to loosen due to the negative transverse strain and contraction, the hybrid implant experiences positive transverse strain, and at its medial edge, the positive transverse strain is about 4.9 times larger than the transverse strain of the solid implant.
