شماره مدرك :
20692
شماره راهنما :
17789
پديد آورنده :
خلجي، پوريا
عنوان :

بررسي عددي و تجربي داربست‌هاي مختلف استخواني بر انتقال جرم و مدول الاستيسيته

مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
ساخت و توليد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1404
صفحه شمار :
73ص.
توصيفگر ها :
داربست‌هاي استخواني , سفتي مكانيكي , قابليت انتقال جرم , چاپ سه بعدي , فيلامنت پلي‌لاكتيك اسيد
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/26
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
دانشكده :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/27
كد ايرانداك :
23185918
چكيده فارسي :
چكيده داربست‌هاي مهندسي بافت به ‌عنوان بستر مصنوعي براي رشد سلول‌ها و چهارچوبي جهت ترميم استخوان‌هاي آسيب‌ديده، نقش مهمي در موفقيت درمان‌هاي بازسازي استخوان دارند. عملكرد اين داربست‌ها به‌طور هم‌زمان، به سفتي و توانايي مناسب آن‌ها در انتقال مواد وابسته است. ساختار‌هاي هندسي و درصد تخلخل داربست‌ها، مهم‌ترين پارامترهاي تعيين كنندۀ سفتي و قابليت انتقال جرم در آن‌ها هستند. هدف از اين پژوهش، بررسي تاثير هندسه ساختار و درصد تخلخل در انواع مختلف داربست‌هاي استخواني بر ويژگي‌هاي مكانيكي و بيولوژيكي آن‌ها است. در اين پژوهش شش مدل ساختار متخلخل متفاوت از جمله ساختارهاي ورونويي، تي‌پي‌ام‌اس، ايزوتراس، اوكتت، ترانكيتد كيوب و وير-فلن با درصد تخلخل‌هاي 60، 70 و 80 مورد بررسي قرارگرفتند. ساختارهاي هدف، با استفاده از نرم‌افزار طراحي ان‌تاپ مدل‌سازي شدند و براي ارزيابي سفتي، نمونه‌هاي داربستي با استفاده از دستگاه چاپ سه‌بعدي با رشته ذوب‌ شده و با استفاده از فيلامنت پلي‌لاكتيك اسيد پلاس ساخته شده و تحت آزمايش فشار قرار گرفتند؛ همچنين جهت بررسي انتقال جرم، فرآيند نفوذ و حركت مواد مغذي در داربست‌ها با بهره‌گيري از نرم‌افزار كامسول شبيه‌سازي شد. پارامتر كمّي جهت بررسي قابليت انتقال جرم، افت فشار در مسير عبور سيّال در داربست بوده و جهت بررسي سفتي مكانيكي، پارامتر مدول الاستيسيتۀ داربست‌ها مورد بررسي قرار‌ گرفت. نتايج به دست‌آمده نشان داد كه افزايش تخلخل موجب بهبود نفوذپذيري و انتقال جرم در داربست‌ها مي‌شود، در حالي كه سفتي مكانيكي آن‌ها كاهش مي‌يابد. همچنين ميزان افت فشار و مدول الاستيسيته در درصد تخلخل‌هاي 60 تا 80 براي هر داربست متفاوت بوده و بستگي به عواملي همچون هندسۀ سطوح و پيچيدگي ساختاري هر داربست دارد. از ميان داربست‌هايي كه مورد بررسي قرار گرفتند داربست با ساختار ترانكيتد كيوب بهترين عملكرد را از نظر قابليت انتقال جرم و سفتي از خود نشان داد و ساختار تي‌پي‌ام‌اس به دليل پيچيدگي و وجود سطوح پيوسته و كمينه هندسه، از نظر انتقال جرم و سفتي، در مقايسه با ديگر ساختارها، رفتار ضعيف‌تري از خود نشان داد. در درصد تخلخل‌هاي 60، 70 و 80 مدول الاستيسيته، ساختار ترانكيتد كيوب به ترتيب 8/283، 201 و 5/84 مگاپاسكال و افت فشار آن 428، 246 و 151 ميلي‌پاسكال بود كه به معني بيش‌ترين استحكام مكانيكي و بهترين قابليت انتقال جرم در ميان ساختارها بود. مدول الاستيسيته ساختار تي‌پي‌ام‌اس در درصد تخلخل‌هاي 60، 70 و 80 به ترتيب 1/79، 5/46 و 2/19 مگاپاسكال و افت فشار آن به ترتيب 1524، 978 و 700 ميلي‌پاسكال بود. تحليل هم‌زمان داده‌هاي تجربي و شبيه‌سازي‌هاي عددي، محدودۀ مناسب از تخلخل و هندسۀ داربست را بسته به كاربرد مورد نياز مشخص كرد كه تعادلي بين سفتي و قابليت انتقال جرم برقرار مي‌سازد. نتايج نشان داد انتخاب نوع داربست و درصد تخلخل بايد به صورت هدف محور انجام شود. يافته‌هاي اين تحقيق مي‌تواند به‌عنوان راهنمايي مؤثر در طراحي داربست‌هاي استخواني با عملكرد بهينه در مهندسي بافت، مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Abstract Tissue engineering scaffolds, as artificial substrates for cell growth an‎d frameworks for the repair of damaged bones, play a crucial role in the success of bone regeneration treatments. The performance of these scaffolds simultaneously depends on their stiffness an‎d their ability to effectively facilitate material transport. The geometric structure an‎d porosity percentage of scaffolds are the most important parameters determining their stiffness an‎d mass transfer capability. The aim of this study is to investigate the effect of structural geometry an‎d porosity percentage in various types of bone scaffolds on their mechanical an‎d biological properties. In this research, six different porous structure models including Voronoi, TPMS, IsoTruss, Octet, Truncated Cube, an‎d Weaire-Phelane structures with porosities of 60%, 70%, an‎d 80% were examined. The target structures were modeled using nTop design software. To eva‎luate stiffness, scaffold samples were fabricated using a fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer with polylactic acid plus (PLA+) filament an‎d subjected to compression testing. Additionally, to analyze mass transfer, the diffusion an‎d movement of nutrients within the scaffolds were simulated using COMSOL Multiphysics software. The quantitative parameter for assessing mass transfer capability was the pressure dro‎p along the fluid pathway within the scaffold, while the elastic modulus was used to eva‎luate mechanical stiffness. The results showed that increasing porosity improved permeability an‎d mass transfer in the scaffolds, while reducing their mechanical stiffness. Furthermore, the pressure dro‎p an‎d elastic modulus values across 60%, 70%, an‎d 80% porosities varied for each scaffold, depending on factors such as surface geometry an‎d structural complexity. Among the scaffolds studied, the Truncated Cube structure exhibited the best performance in terms of both mass transfer capability an‎d stiffness. In contrast, the TPMS structure demonstrated weaker behavior due to its complex geometry an‎d the presence of continuous minimal surfaces, resulting in lower stiffness an‎d poorer mass transfer compared to other structures. For the Truncated Cube structure, the elastic modulus at 60%, 70%, an‎d 80% porosity was 283.8, 201, an‎d 84.5 MPa, respectively, while the corresponding pressure dro‎ps were 428, 246, an‎d 151 mPa indicating the highest mechanical strength an‎d best mass transfer capability among the structures. The TPMS structure, at porosities of 60%, 70%, an‎d 80%, exhibited elastic moduli of 79.1, 46.5, an‎d 19.2 MPa, an‎d pressure dro‎ps of 1524, 978, an‎d 700 mPa, respectively. The combined analysis of experimental data an‎d numerical simulations identified an optimal range of scaffold porosity an‎d geometry depending on the intended application, achieving a balance between stiffness an‎d mass transfer capability. The results indicate that the selec‎tion of scaffold type an‎d porosity percentage should be goal-oriented. The findings of this research can serve as an effective guideline for the design of bone scaffolds with optimal performance in tissue engineering applications.
استاد راهنما :
مهدي كاظمي
استاد مشاور :
محسن بدرسماي
استاد داور :
عليرضا فدائي تهراني , محمد سيلاني
لينک به اين مدرک :

بازگشت