ارزيابي مدول يانگ و ضريب پواسون ساختار متخلخل دايموند براي استفاده در ايمپلنت هاي ارتوپدي به روش اجزاي محدود

Evaluation of Young’s Modulus and Poisson’s Ratios of Diamond Porous Structure for Use in Orthopedic Implant by Finite Element Method

ايمپلنت هاي ارتوپدي يكي از قابل اعتمادترين روش ها در درمان آسيب ديدگي هاي وارد بر استخوان هستند. در طراحي ايمپلنت هاي ارتوپدي همواره سعي مي شود كه مدول الاستيسيته ايمپلنت به استخوان نزديك باشد تا از بروز عوارضي مانند سپر تنشي جلوگيري شود. در اين راستا متخلخل نمودن ايمپلنت ها به عنوان يكي از راه حل هاي جديد و موثر براي اين مشكل ارايه شده و پرينت سه بعدي امكان ايجاد انواع مختلف ساختارهاي متخلخل را براي ايمپلنت به وجود آورده است. براي نزديك كردن مدول الاستيسيته ايمپلنت با ساختار متخلخل به استخوان، از هندسه هاي مختلف تخلخل استفاده مي شود. در اين مطالعه خواص مكانيكي ساختار متخلخل دايموند از جنس تيتانيوم مورد بررسي قرار گرفته و رابطه اي براي به دست آوردن مدول الاستيسيته بر حسب پارامترهاي هندسي اين ساختار معرفي شده است. با توجه به نتايج به دست آمده از حل اجزاي محدود، اختلاف بين نتايج عددي با داده هاي تجربي بين 3/64% تا 18/51% مشاهده شد كه البته مدول يانگ به دست آمده از اين روش در مقايسه با نتايج تحليلي، تطابق بيشتري با داده هاي تجربي دارد. در ضمن براي ساختارهاي متخلخل يا چگالي نسبي بالاتر، مقدار اين خطا كاهش پيدا كرد. علاوه بر اين ساختار دايموند تيتانيومي در چگالي نسبي بين 0/06 و 0/16 مدولي معادل مدول يانگ استخوان اسفنجي خواهد داشت كه اين موضوع در طراحي هاي ايمپلنت هاي ارتوپدي بسيار موثر است.

Orthopedic implants are one of the most reliable methods for bone injuries treatment. An important issue, which must be considered in the design of orthopedic implants, is that the Young’s modulus of implants should be near to the host bone to prevent complications such as stress shielding. Porous implants are considered as one of the new and effective methods for this issue and recent technologies such as metal 3D printing made it possible to manufacture different porous structures with various geometries, which could be used to reach the goal. Porous geometries are used to approaching the elastic modulus of implantation with a porous structure to the bone. Mechanical properties of Diamond porous structure have been investigated in this study and an equation for obtaining the modulus of elasticity is presented in terms of the geometric parameters of this structure. Based on the results, the error between finite element analysis and experimental data is between 3.64% and 18.51% and it has been shown that the Young’s modulus obtained from finite element method is more in line with the existing experimental data than the analytical results; by the increase of relative density, the error would be decreased. Furthermore, in the relative density between 0.06 and 0.16, the Young’s modulus of titanium Diamond structure would be the same as bone Young’s modulus, which is an effective feature in design of orthopedic implants.