توصيفگر ها :
بيماري ديسك بين مهره‌اي , كيج بين مهره‌اي , آلياژ تيتانيوم , ساختارهاي سلولي TPMS , ذوب گزينشي با ليزر , شبيه‌سازي اجزا محدود
چكيده فارسي :
يكي از آسيب‌هاي بسيار متداول ستون مهره، بيماري ديسك بين مهره‌اي است. در اين بيماري، ديسك فرسوده شده قابليت خود را در جذب انرژي و ضربه از دست داده و ارتفاع آن كاهش مي‌يابد. روش درماني اين بيماري در صورت پيشرفت، عمدتا به صورت عمل جراحي همجوشي مهره‌اي است. در اين عمل، ديسك آسيب ديده از ميان دو مهره خارج شده و يك كيج فلزي يا پليمري جايگزين آن ميگردد. در سال‌هاي اخير، كاربرد آلياژ تيتانيوم به واسطه‌ي زيست‌سازگاري و خواص مكانيكي مطلوب، در كاشتني‌هاي پزشكي و به خصوص كيج‌هاي بين مهره‌اي افزايش پيدا كرده است. با اين‌حال، اين آلياژ به واسطه‌ي سفتي بسيار بالاتر نسبت به استخوان، موجب ايجاد تمركز تنش و وقوع پديده‌ي سپر تنشي ميگردد. از اين‌رو براي حل اين مشكل، از ساختارهاي سلولي در كيج‌ها از جنس آلياژ تيتانيوم استفاده شده تا سفتي آن‌ها كاهش پيدا كرده و به سفتي استخوان انسان نزديك گردد. با توجه به قابليت روش ساخت افزودني در توليد ساختارهاي متخلخل، از اين روش براي ساخت كيج با ساختارهاي سلولي و ميزان تخلخل‌هاي مختلف مي‌توان استفاده كرد. در پژوهش حاضر، به طراحي و مشخصه‌يابي رفتار مكانيكي كيج‌هاي ناحيه‌ي كمري، توليد شده به روش ذوب گزينشي با ليزر، پرداخته مي‌شود. در گام نخست، ساختار و ميزان تخلخل مناسب براي كيج شناسايي ميگردد. ساختارهاي TPMS به واسطه‌ي نسبت استحكام به وزن و همچنين نسبت سطح به حجم بسيار بالا، خواص مكانيكي و زيستي بسيار خوبي از خود نشان داده و به همين دليل در پژوهش حاضر از اين ساختارها در طراحي كيج استفاده ميگردد. براي شناسايي ساختار و ميزان تخلخل مناسب، ساختارهاي مشبك جيرويد، دايموند و شوارتز صفحه‌اي با ميزان تخلخل‌هاي مختلف از 45 تا 80 درصد و اندازه حفره‌ي 720 ميكرومتر، در نرم‌افزار nTopology طراحي شده و سپس به نرم‌افزار آباكوس انتقال داده مي‌شوند. در اين نرم‌افزار رفتار نمونه‌‌هاي متخلخل، در فشار ساده شبيه‌سازي شده و ميدان تنش، جابجايي و مدول الاستيك آن‌ها پيش‌بيني ميگردد. همچنين اين ساختارها به روش ذوب گزينشي با ليزر ساخته شده، تحت آزمون فشار قرار گرفته و مدول الاستيك آن‌ها در فشار اندازه‌گيري مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي و آزمون‌هاي تجربي با يكديگر حدود 10 درصد اختلاف داشته كه مقدار قابل قبولي مي‌باشد. در نهايت با جمع‌بندي نتايج به دست آمده از شبيه‌سازي و آزمون‌هاي تجربي، مشاهده گرديد دو ساختار دايموند و جيرويد با تخلخل 70 و 75 درصد مدول الاستيك نزديكي (حدود 9 تا 16 گيگاپاسكال) به مدول الاستيك استخوان (7 تا 22 گيگاپاسكال) داشته و در نتيجه در صورت استفاده از اين دو ساختار در كيج، از وقوع پديده‌ي سپر تنشي جلوگيري مي‌شود. در صورتي كه براي ساختار شوارتز به دليل محدوديت ساخت، بيشينه تخلخل قابل دست‌يابي 60 درصد بوده و از اين‌رو در اين ساختار نمي‌توان به نسبت‌هاي سطح به حجم بالا دست پيدا كرد. از اين‌رو ساختار شوارتز كنار گذاشته شده و دو ساختار جيرويد و دايموند با تخلخل 70 و 75 درصد به عنوان 4 ساختار سلولي مناسب براي طراحي كيج ناحيه‌ي كمري پيشنهاد مي‌گردند. بنابراين از اين 4 ساختار سلولي در طراحي هندسه‌ي كيج استفاده شده و سپس رفتار كيج‌هاي طراحي شده مطابق استاندارد ASTM F2077 در فشار، فشار- برش و پيچش شبيه‌سازي و ميدان تنش و جابجايي ايجاد شده در آن‌ها ارزيابي ميگردد. نتايج شبيه‌سازي رفتار كيج‌ها در اين سه بارگذاري نشان داد كه ميدان تنش ايجاد شده در ساختار سلولي هر 4 نوع كيج، بسيار كم‌تر از حد استحكام تسليم ماده بوده و همچنين ميدان جابجايي ايجاد شده در كيج‌ها از مرتبه‌ي ميكرومتر مي‌باشد.
چكيده انگليسي :
Intervertebral disc disease is a common spine injury that causes a decrease in disc height and energy absorption. Treatment involves fusion surgery, where the damaged disc is replaced with a metal or polymer cage. Titanium alloy (Ti-6Al-4V) is now commonly used in medical implants, particularly intervertebral cages, due to its biocompatibility and mechanical properties. However, its higher stiffness than bone can cause stress shielding. Therefore, to solve this problem, cellular structures in cages made of titanium alloy are used to reduce their stiffness and approach the stiffness of human bones. Due to the capability of the additive manufacturing method in producing porous structures, this method can be used to make cages with different cell structures and porosity levels. This research discusses the design and mechanical characterization of intervertebral lumbar cages produced by the selective laser melting method. The cage's suitable structure and porosity level are identified in the first step. TPMS structures, with high strength-to-weight and surface-to-volume ratios, are utilized in cage design in this study. In order to identify the appropriate structure and porosity, the lattice structures of sheet-based Gyroid, Diamond, and Schwarz with different porosity levels from 45 to 80% and pore size of 720 µm are designed in nTopology and then transferred to Abaqus CAE. In this software, the behavior of porous samples is simulated under pressure, and their stress field, displacement, and elastic modulus are predicted. Also, these structures are 3D printed using SLM and then pressure tested to measure their elastic modulus. The simulation results and experimental tests differed by about 10%, which is acceptable. Finally, by summarizing the results obtained from the simulation and experimental tests, it was observed that the two structures of Diamond and Gyroid with porosity of 70 and 75% have elastic modulus (about 9 to 16 GPa) close to the elastic modulus of bone (7 to 22 GPa). Therefore, these four cellular structures are used in the design of the cage geometry. Then, the behavior of designed cages according to the ASTM F2077 standard in compression, compression-shear, and torsion simulated, and the stress field and displacement created in it are evaluated. The simulation results of cage behavior in these three loadings showed that the stress field created in the cellular structure of all four types of cages is much lower than the yield strength of the material. Also, the displacement field created in the cages is of the order of micrometers.
