شماره مدرك
21289
شماره راهنما
18226
پديد آورنده
رمضاني مقدم، حسين
عنوان
طراحي و ساخت داربست استخوان فك با پليمر زيستي به روش ساخت استريوليتوگرافي با ماسك نوري و مقايسه خواص ناهمسانگرد مدول الاستيسيته با نتايج شبيهسازي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
ساخت و توليد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
دوازده، 91. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
استخوان فك پايين , داربست استخواني , ساختار جايرويد , اجزا محدود , ساخت افزودني , ناهمسانگردي مكانيكي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/13
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/14
كد ايرانداك
23259594
چكيده فارسي
ترميم نواقص استخوان فك پايين يكي از چالشهاي اساسي در مهندسي بافت و جراحي فك و صورت است. اين مسئله به دليل ساختار چندلايه و رفتار مكانيكي ناهمسانگرد استخوان فك پايين، پيچيدگي قابلتوجهي دارد. استخوان فك پايين بهطور كلي از يك لايه متراكم خارجي، يك ناحيه اسفنجي مياني و يك لايه متراكم داخلي تشكيل شده است و خواص مكانيكي آن در جهات اصلي يكسان نيست. ازاينرو، طراحي داربستي كه بتواند بهطور همزمان معماري چندلايه و رفتار مكانيكي ناهمسانگرد اين استخوان را بازتوليد كند، ضروري است. هدف اين پژوهش، طراحي، ارزيابي و ساخت داربست زيستتقليدكننده مبتني بر ساختار جايرويد براي بازسازي نواقص استخوان فك پايين بوده است. ابتدا، خواص مكانيكي استخوان فك پايين و مقادير مدول الاستيسيته آن در سه جهت اصلي بررسي شد. سپس، با مطالعه پيشينه پژوهش، ساختار جايرويد بهعنوان هندسه پايه انتخاب گرديد، زيرا اين ساختار داراي پيوستگي هندسي مناسب، توزيع نسبتا يكنواخت تنش، تخلخل بههمپيوسته و قابليت ساخت مطلوب به روشهاي ساخت افزودني است. بهمنظور مدلسازي دقيقتر، استخوان فك پايين به سه ناحيه قدامي، مياني و خلفي تقسيم شد و در هر ناحيه، سه لايه شامل بخش متراكم خارجي، بخش اسفنجي مياني و بخش متراكم داخلي در نظر گرفته شد. در نتيجه، مدل نهايي شامل 9 ناحيه با ويژگيهاي مكانيكي و هندسي متفاوت بود. همچنين، بهمنظور ايجاد تغيير تدريجي در خواص مكانيكي و كاهش تمركز تنش در مرز بين نواحي متراكم و اسفنجي، لايههاي انتقالي با تغييرات كنترلشده در پارامترهاي هندسي ساختار جايرويد طراحي شدند. در ادامه، مدلهاي طراحيشده با استفاده از روش اجزاي محدود تحليل شدند تا هندسهها و پارامترهاي مناسبي براي دستيابي به مدول الاستيسيته هدف در جهتهاي مختلف تعيين شوند. بر اساس نتايج شبيهسازي، درصد تراكم داربستها در نواحي مختلف بين 20.3 الي 57.8 درصد تنظيم شد. مدول يانگ حاصل از شبيهسازي براي نواحي مختلف و در جهتهاي اصلي در بازه 0.050 الي 3.297 گيگاپاسكال قرار گرفت كه با بازه مدول الاستيسيته استخوان طبيعي فك پايين تطابق داشت. پس از تعيين پارامترهاي بهينه، نمونههاي داربستي با روش فوتوپليمريزاسيون با ماسك نوري ساخته شدند و تحت آزمون فشار قرار گرفتند. نتايج آزمون تجربي نشان داد كه مدول يانگ نمونههاي ساختهشده در بازه 0.054 الي 3.084 گيگاپاسكال بوده و بيشينه اختلاف آن با مقادير پيشبينيشده در تحليل اجزاي محدود برابر با 14.2 درصد است. يافتهها نشان داد كه داربستهاي طراحيشده قادرند با دقت مناسبي تغييرات تدريجي خواص مكانيكي، تفاوت ميان لايههاي متراكم و اسفنجي و رفتار ناهمسانگرد استخوان فك پايين را بازسازي كنند. اين دستاورد ميتواند گامي موثر در توسعه داربستهاي زيستتقليدكننده و شخصيسازيشده براي بازسازي نواقص استخوان فك پايين باشد.
چكيده انگليسي
The repair of mandibular bone defects represents a significant challenge in tissue engineering and maxillofacial surgery. This complexity stems from the multi-layered architecture and the anisotropic mechanical behavior of the mandibular bone, which typically consists of dense outer and inner layers surrounding a cancellous core, exhibiting non-uniform mechanical properties along its primary axes. Therefore, designing a scaffold capable of mimicking this multi-layered architecture and anisotropic response is essential. This study focuses on the design, evaluation, and fabrication of biomimetic, gyroid-based scaffolds for mandibular bone regeneration.
Initially, the mechanical properties of the mandible, including the elastic modulus in three primary directions, were evaluated. The gyroid structure was selected as the base geometry due to its superior geometric interconnectivity, uniform stress distribution, interconnected porosity, and suitability for additive manufacturing. To enhance modeling accuracy, the mandible was segmented into three regions (anterior, middle, and posterior), each comprising three layers (dense outer, cancellous middle, and dense inner), resulting in a comprehensive nine-zone model with distinct mechanical and geometric properties. To achieve a graded transition in mechanical properties and minimize stress concentrations at the interfaces, transitional layers with controlled geometric parameters were integrated. Finite Element Analysis (FEA) was then employed to optimize the scaffold geometries for targeting specific elastic moduli in various directions.
Simulation results indicated that scaffold relative density ranged from 20.3% to 57.8%, yielding a Young’s modulus between 0.050 and 3.297 GPa, consistent with the native mandibular bone. Following optimization, the scaffolds were fabricated using mask-based photopolymerization and subjected to compression testing. The experimental elastic moduli ranged from 0.054 to 3.084 GPa, with a maximum deviation of 14.2% from the FEA predictions. The findings demonstrate that the designed scaffolds effectively replicate the graded mechanical properties, the architectural distinction between dense and cancellous layers, and the anisotropic behavior of the mandible. This development represents a significant advancement in the creation of personalized, biomimetic scaffolds for mandibular bone repair.
استاد راهنما
مهدي كاظمي
استاد داور
عليرضا فدائي تهراني , پيمان مصدق