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