بررسي تئوري و عددي اثرات محيطي بر رفتار مكانيكي پليمرهاي زيست تخريب پذير

Theoretical and Numerical Investigation of Environmental Effects on Mechanical Behavior of Biodegradable Polymers

پليمرهاي زيست تخريب پذير در زمينه هاي زيست پزشكي مانند استنت ها، بخيه ها، داربست (استخواني) و ايمپلنت ها به طور گسترده استفاده مي شوند. با توجه به اهميت رفتار اين مواد در معرض اثرات محيطي، چه در طبيعت و چه در بدن انسان، در دهه اخير تحقيقات گسترده اي صورت گرفته است كه اكثر آنها نتايج آزمايشگاهي و تعداد بسيار كمي نتايج تئوري هستند. اين تحقيقات عمدتا براي شرايط خاص بارگذاري، دمايي و غيره صورت گرفته اند. به اين منظور به كمك روش المان محدود و حل عددي، علاوه بر صحه گذاري روابط تئوري و روابط مستخرج از نتايج آزمايشگاهي، مي توان تاثير شرايط پيچيده تر را نيز در نظر گرفت. در اين مقاله، نحوه استخراج روابط تحليلي ارائه شده است و همچنين با نشان دادن نتايج آزمايشگاهي پليمرهاي زيست تخريب پذير، نقاط قوت و ضعف آنها نيز بررسي شده است. علاوه بر اين، يك حل عددي و المان محدود نيز براي تحليل رفتار پليمرهاي زيست تخريب پذير ارائه شده است. تحليل تئوري و شبيه سازي عددي پليمرهاي زيست تخريب پذير به كمك مدل هايپرالاستيك نئو- هوكين صورت گرفته است. ابتدا با استفاده از رابطه انرژي كرنشي ماده نئو- هوكين، رابطه تنش برحسب كشيدگي محاسبه شده و سپس با فرض يك پارامتر تخريب، تغييرات خواص ماده در معرض اثرات محيطي برحسب زمان در سابروتين UMAT آباكوس به مدل اعمال شده است. در نهايت با مقايسه نتايج آزمايشگاهي و تحليل تئوري با حل عددي، صحت مدل سازي صورت گرفته، مشخص شده است

Biodegradable polymers have widespread usages in the biomedical field, such as stents, sutures, scaffolds, and implants. Due to the importance of behavior of these materials exposed to environmental effects, whether in nature or the human body, extensive researches have been carried out in the last decade that most of them are experimental results and very few are theoretical results. These researches have mainly been performed for specific loading and temperature conditions and so on. For this purpose, in addition to validating the theoretical and empirical relationships derived through the experimental results, the effects of more complex conditions can be considered using the finite element method and numerical solution. In this paper, an analytical relationship extraction method has been presented, as well as the abilities and weaknesses of biodegradable polymers have been investigated by presenting the experimental results of biodegradable polymers. A numerical and finite element analysis is also provided to analyze the behavior of biodegradable polymers. The theoretical analysis and numerical simulation of biodegradable polymers have been carried out using the neo-Hookean hyperelastic model. First, the relationship of stress, versus the stretch has been derived using the strain energy of neo-Hookean material. Next, by assuming a degradation parameter, changes in the properties of the material exposed to environmental effects, according to the time in Abaqus Umat subroutine have been applied to the model. Finally, the accuracy of the simulation has been studied by a comparison between the experimental results and theoretical analyses with numerical solutions.