• 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