Sonlu elemanlar esaslı topolojik optimizasyon ile rijitliği azaltılmış gözenekli sabitleme plağının tasarlanması

Abstract

Sabitleme plakları kırık kemik dokusunun mekanik açıdan stabilizasyonunu sağlayarak hasarlı bölgede biyolojik iyileşme sürecini hızlandırmak için kullanılmaktadır. Bu implantlar tedavi sürecinde aseptik gevşeme, gerilme kalkanı etkisi ve nekroz oluşumu gibi mekanik ve biyolojik komplikasyonlara sebep olmaktadır. Bu çalışmada geleneksel plak modellerinde görülen mekanik ve biyolojik komplikasyonların azaltılması/ortadan kaldırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla sonlu elemanlar esaslı topoloji optimizasyon yaklaşımı kullanılarak optimum plak geometrisi elde edilmiştir. Elde edilen optimum plak modeli fonksiyonel kademelendirilmiş gözenekli kafes yapısı ile birleştirilerek yeni nesil gözenekli implant modeli sabitleme plakları için uygulanmıştır. Bu çalışmada, uzun boylu kemiklerde diyafiz bölgesi transvers kırıklar için kullanılan plakların optimum geometrisi, sonlu elemanlar esaslı topoloji optimizasyon yöntemi kullanılarak fonksiyonel kademelendirilmiş gözenekli plak modeli olarak elde edilmiştir. Gözenekli plak modeli, eklemeli üretim ile üretilerek statik olarak test edilmiştir. Testler sonucunda geleneksel, optimum ve gözenekli model, sonlu elemanlar yöntemi ile rijitlik açısından karşılaştırılmıştır.

Fixation plates are used to accelerate the biological healing process in the damaged area by providing mechanical stabilization of fractured bone tissue. These implants may cause mechanical and biological complications such as aseptic loosening, stress shielding effect and necrosis formation. In this study, it is aimed to reduce/eliminate the mechanical and biological complications observed in the use of conventional plate models. For this purpose, optimum plate geometry has been obtained by using the finite element method based on topology optimization approach. Combined the optimum plate model obtained with the functionally graded porous structure, a new generation porous implant model was applied for fixation plates. In this study, the optimum geometry of the plates used for diaphyseal transverse fractures in long bones were obtained as a functional graded porous plate model using a topology optimization approved based on the finite elements method. The porous plate was produced by additive manufacturing and tested statically. As a result of the test conducted, the conventional, optimum and porous model is compared with that of the finite element method in terms of their stiffness.