شماره مدرك
21193
شماره راهنما
18160
پديد آورنده
مكتوبيان، سعيد
عنوان
تحليل رفتار مكانيكي كاشتني (كيج) فلزي ستون مهره، توليد شده به روش ساخت افزودني ذوب گزينشي با ليزر
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
دوازده، 77ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
كيج بين مهرهاي , آلياژ تيتانيوم (Ti-6Al-4V) , استاندارد ASTM-F2077 , ذوب گزينشي با ليزر , ساختارهاي سلولي , خستگي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/05/19
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/05/20
كد ايرانداك
23242398
چكيده فارسي
بيماري ديسك بينمهرهاي از جمله آسيبهاي رايج ستون مهره محسوب ميشود كه در آن ديسك دچار تخريب تدريجي شده و به مرور ارتفاع آن كاهش مييابد و درنتيجه قابليت جذب ضربه خود را از دست ميدهد. در صورت پيشرفت اين عارضه، درمان غالباً از طريق جراحي همجوشي مهرهاي صورت ميگيرد. بدين ترتيب كه ديسك آسيبديده برداشته شده و يك كيج فلزي يا پليمري در فضاي بين دو مهره قرار داده ميشود. در سالهاي اخير، آلياژ تيتانيوم (Ti-6Al-4V) به دليل زيستسازگاري مناسب و ويژگيهاي مكانيكي مطلوب، كاربرد گستردهاي در ساخت كاشتنيهاي پزشكي و بهويژه كيجهاي بينمهرهاي يافته است. با اين وجود، مدول الاستيك بالاتر اين آلياژ نسبت به استخوان ميتواند باعث ايجاد پديدهي سپر تنشي گردد. به همين منظور، استفاده از ساختارهاي سلولي در كيجهاي تيتانيومي بهمنظور كاهش مدول الاستيك و تطبيق بهتر با استخوان مورد توجه قرار گرفته است. فناوري ساخت افزودني، به دليل قابليت توليد هندسههاي متخلخل پيچيده، امكان ساخت كيجهايي با درصدهاي مختلف تخلخل را فراهم ميكند. در پژوهش حاضر و در ادامهي پژوهشهاي پيشين، كيجهاي كمري با ساختارهاي سلولي جايرويد (G) و دايموند (D) با درصد تخلخل 75 درصد به روش ذوب گزينشي با ليزر ساخته شده و بررسي رفتار مكانيكي آنها، انجام شده است. كيجها مطابق با استاندارد ASTM F2077 تحت آزمون فشار و فشار-برش قرار گرفتند. سپس مقادير سفتي، نيروي تسليم و نيروي بيشينهي آنها استخراج شده و با مقايسه با حداقل مقادير قابل پذيرش در استاندارد ISO 23089، مشاهده شد كه اين كيجها از نظر استاندارد، عملكرد مكانيكي قابل قبولي دارند. همچنين به منظور محاسبه دقيق مدول الاستيك كيجها، از كرنشسنج استفاده شد. سپس مشخص شد كه مدول الاستيك كيجها براي ساختار G75 در حدود گيگاپاسكال و براي ساختار D75 در حدود گيگاپاسكال است كه هر دو مقدار در محدوده مدول الاستيك استخوان بوده و در نتيجه پديده سپر تنشي رخ نخواهد داد. در ادامه ساختارهاي مورد استفاده در كيجها مورد آزمون خستگي خمشي دوار قرار گرفتند تا از عملكرد خستگي آنها نيز اطمينان حاصل شود. هر دو ساختار در تنشهاي اسمي 10 و 20 مگاپاسكال، بيش از 5 ميليون سيكل را تحمل كردند. از آنجايي كه تنش 10 مگاپاسكال معادل نيروي متناظر با عدم گسيختگي در استاندارد ISO 23089 است، ميتوان نتيجه گرفت كه هر دو ساختار جايرويد و دايموند از نظر خستگي نيز داراي عملكرد مناسبي براي استفاده در كيجهاي بين مهرهاي هستند. در نهايت براي پيشبيني عمر خستگي نمونهها از نرمافزار fe-safe استفاده شد. نتايج حاصل از اين نرمافزار، عمر بيشتري را پيشبيني كرده و اختلاف 20 تا 30 درصدي با مقادير آزمون تجربي داشتند كه از علتهاي اصلي آن ميتوان به درنظر نگرفتن عواملي مانند زبري سطح و عيوب داخلي قطعه در شبيهسازي اشاره كرد. پس از آنكه در اين پژوهش، كيجها از نظر مكانيكي مورد ارزيابي قرار گرفته و تاييد شدند؛ در ادامه، با انجام آزمونهايي مانند رشد سلولي و بررسي عملكرد زيستي كيجها، امكان تجاريسازي آنها وجود دارد.
چكيده انگليسي
Intervertebral disc degeneration (IVDD) is one of the most common disorders of the spinal column, characterized by the progressive deterioration of the intervertebral disc, gradual loss of disc height, and diminished shock-absorbing capacity. In advanced stages of the disease, spinal fusion surgery is the standard treatment, in which the degenerated disc is removed and replaced with a metallic or polymeric interbody fusion cage. Among the available biomaterials, Ti-6Al-4V titanium alloy has been widely adopted for the fabrication of interbody cages because of its excellent biocompatibility and favorable mechanical properties. However, its elastic modulus is substantially higher than that of cortical bone, potentially leading to stress shielding and subsequent bone resorption. To mitigate this limitation, porous lattice architectures have been incorporated into titanium cages to reduce their effective elastic modulus and improve mechanical compatibility with the surrounding bone. Furthermore, laser powder bed fusion (LPBF) enables the fabrication of complex porous geometries with precisely controlled porosity. Building upon previous studies, this research fabricated lumbar interbody fusion cages incorporating Gyroid (G75) and Diamond (D75) triply periodic minimal surface (TPMS) lattice structures with 75% porosity using LPBF and comprehensively evaluated their mechanical performance. The cages were tested under compression and compression-shear loading in accordance with ASTM F2077. Their stiffness, yield load, and ultimate load were determined and compared with the minimum acceptance criteria specified in ISO 23089. The results demonstrated that both cage designs satisfied the mechanical requirements of the standard. To accurately determine their elastic modulus, strain gauges were employed during mechanical testing. The measured elastic moduli were approximately 9.67±0.8 GPa for the G75 structure and 11.33±0.7 GPa for the D75 structure, both of which fall within the reported range for human bone, indicating a substantially reduced risk of stress shielding. The fatigue performance of the lattice structures was subsequently evaluated using rotating bending fatigue tests. Both architectures withstood more than 5 million loading cycles under nominal stress amplitudes of 10 and 20 MPa. Because a nominal stress of 10 MPa corresponds to the non-failure load requirement specified in ISO 23089, the results indicate that both Gyroid and Diamond lattice structures provide adequate fatigue resistance for interbody fusion cage applications. Fatigue life was also predicted using the fe-safe software package. Although the numerical predictions consistently overestimated the experimental fatigue life by approximately 20–30%, this discrepancy is primarily attributed to the inability of the simulations to account for manufacturing-induced factors such as surface roughness and internal defects. Overall, the developed LPBF-manufactured TPMS titanium cages demonstrated satisfactory mechanical performance and fatigue resistance, suggesting that, following comprehensive biological evaluations, including cell proliferation and biocompatibility studies, they have strong potential for future clinical translation and commercialization.
استاد راهنما
محسن بدرسماي , احسان فروزمهر
استاد مشاور
علي مالكي
استاد داور
عليرضا فدائي تهراني , محمدرضا فروزان