Yapay kemik olarak gözenekli iskelelerin yüzey pürüzlülüğünün kan akışı özelliklerine etkisi

Abstract

Günümüzde kazalar veya kanser gibi ciddi hastalıklardan dolayı çok sayıda insanın vücudunda kemik kayıpları meydan gelmektedir. Bu kayıpları gidermek için genelde dört kaynak bulunmaktadır. Bunlar, hastanın kendi vücudunun bir başka bölgesinden alınan kemik (otogreft), bağışta bulunan kişiden alınmış kemik (allogreft), hayvanlardan alınan kemik dokusu (xenograft) veya yapay kemik (greft) olarak sıralanabilir. Yapay kemikler genellikle kemiğin yapısını taklit etmek amacıyla iskele (scaffold) olarak adlandırılan gözenekli yapılardan oluşmaktadır. Yapay kemik iskeleler hem yük altında mekanik davranışlar ve hem de biyolojik davranış olarak onların gözeneklerinde akışkan (kan) dolaşım dinamiği gibi farklı açılardan incelenmektedir. İskeleler mekanik davranışlar açısından yük altında şekil değiştirme ve akma dayanımı gibi parametreler üzerinde çalışılırken, biyolojik açıdan iskelelerin içinde hücresel faaliyetlerini belirleyen akışkan geçirgenlikleri ve içlerinden akan akışkanın cidarları üzerinde meydana getirdiği cidar kayma gerilmeleri (CKG) üzerinde araştırılmalar yapılmaktadır. Bu çalışma iskelelerin karekterizasyon için belirtilen hususları dikkate alınarak iki kısımdan oluşturulmuştur. Birinci kısımda iskelelerin bu özeliklerini etkileyen gözeneklik oranı ve iskele mimarisi faktörleri sonlu elemanlar yöntemiyle (SEY) araştırılmıştır. Bu doğrultuda kafes yapılı (Kay), ince yüzeylerden oluşan kare gözenekli (Kag) ve Gyroid (Gyr) olmak üzere toplam üç çeşit iskele mimarisi ve her mimarı için altı gözeneklik seviyesi (%65, 70, 75, 80, 85 ve 90) seçilmiştir. Statik yük altında iskele deformasyonu yapısal sonlu elemanlar yaklaşımıyla, von-Mises kriterine göre akma dayanımı elde edilmiştir. Bu modellerle yapılan hesaplama sonuçları üç iskele tipinde de gözeneklilik değerleri daha yüksek olan modellerin mekanik özellikleri daha düşük bulunmuştur. Ancak, kafes yapılı iskele, diğer iki iskeleye göre daha yüksek elastisite modülü ve akma dayanımı göstermiştir. Basınç düşüşü, hız analizleri ve iskele içerisindeki akışkan akışıyla meydana gelen cidar kayma gerilmesi hesaplamalı akışkanlar dinamiği ( HAD veya CFD) analizi ile incelenmiştir. Geometrik parametreler ve akışkan dinamikleri analizinden elde edilen basınç düşüşü göz önüne alınarak, iskelelerin geçirgenliği Darcy yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Her üç iskele mimarisinde artan gözeneklikle geçirgenlikte yükseliş ve CKG'de azalma izlenmiştir. Aynı gözeneklilikteki modeller arasında kafes yapılı modeller, diğer modellere göre daha yüksek geçirgenlik ve daha düşük CKG sergilemiştir. Elastiklik modülü ve geçirgenlik sonuçlarına göre, süngerimsi kemik özelliklerine yakın özellikler gösteren modeller tespit edilmiştir. İskelelerde CKG'lerin homojen dağılıma sahip olmaları önemli olduğu göz önüne alarak bu modeller arasında en homojen CKG dağılımı gösteren model çalışmanın önerilmiş modeli olarak sunulmuştur. CFD analizleri hem su ve hem de kan özellikli akışkanlarla gerçekleştirilmiştir. Su Newtonien bir akışkan olduğu için sabit viskoziteyle ve kan Newtonien olmayan akışkan olduğundan dolayı viskozite davranışı Power-Law yaklaşımıyla modellenmiştir. Akışkan türü açısından iskeleler su için kana göre yaklaşık beş kat daha yüksek geçirgenlik sergilemiştirler. Buna karşı kan akışkanı için elde edilen CKG suya göre yaklaşık altı kat daha büyüklüktedir. Çalışmanın ikinci bölümünde yüzey pürüzlülüğünün iskelelerin geçirgenlik ve CKG'leri üzerinde etkisi Kag bir iskeleyle, üç farklı gözenek boyutlarında (300, 600 ve 900 µm) ve sabit bir gözeneklik oranında (%65) modellenmiştir. Bu iskelelerin cidarında altı seviyede (0, 4, 8, 12, 16 ve 20 µm) pürüzlülük oluşturulmuştur. Sonuçlara göre iskelelerin geçirgenliği üzerinde gözenek boyutunun etkisinin pürüzlülük etkisinden daha belirgin olduğu belirlenmiştir. Ancak pürüzlülük etkisi küçük gözenek boyutlardaki iskelelerde dikkate değer seviyelerde bulunmuştur. Bununla birlikte, pürüzün 600 ve 900 µm gözenekli modellerde CKG üzerindeki etkileri, 300 µm gözenekli modellere göre daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu da iskelelerin akışkan akışı üzerinde (geçirgenlik ve CKG) üretiminden kaynaklanan yüzey kalitesinin önemli bir role sahip oluğunu göstermektedir. 2017, 184 sayfaAnahtar Kelimeler: Yapay kemik, İskele, CFD analizi, Yüzey pürüzlülüğü, Newtonien olmayan akışkanlar

Nowadays, many people suffer from bone loss due to accidents or serious diseases such as cancer. Generally, three main resources to help these losses are listed as; a bone from another part of the patient's body (autograft), donated bone (allograft), animal bone tissue (xenograft) or synthetic bone (graft). The latter substitutes to mimic the structure of the bone consist of porous structures that are called scaffolds. The scaffolds properties are investigated from different perspectives, such as their behavior under mechanical loads and biological characterization, such as fluid flow dynamics within their pores. In terms of scaffolds mechanical properties, parameters such as strain and yield strength under loads are important and their biological characterization mainly is determined by permeability and fluid flow induced wall shear stress (WSS) the parameters contribute in cellular activities in scaffolds. This study consists of two sections that consider these characterizations of scaffolds. In the first part, among factors affecting these properties of scaffolds, porosity and architecture were investigated using finite element method. So, three different scaffolds with Lattice-based (Kay), square pore (Kag) and gyroid (Gyr) architectures were developed at six porosity (65, 70, 75, 80, 85 and 90%). The scaffold deformation and yield strength (according to von-Mises criterion) under a static load were calculated using structural finite element approach. The results showed a decrease in the mechanical property of the models with their porosity increasing. However, the Kay scaffold models possessed a higher modulus of elasticity and yield strength than the other two scaffolds. The pressure drop, velocity, and the fluid flow induced wall shear stress within scaffolds were analyzed using computational fluid dynamics (CFD). Given the pressure drop from CFD analysis and scaffolds geometric parameters, the permeability of the scaffolds is calculated using Darcy's law. While porosity increased, all three scaffolds showed an increase in permeability and decrease in WSS. Among three scaffolds, the lattice-based models exhibited higher permeability and lower WSS than the other models. According to the elasticity modulus and permeability results, scaffolds which met the cancellous bone properties were determined. Then, considering the homogeneous distribution of WSS on the scaffolds walls, the best model of the study was selected. CFD analyses were performed using water and blood as work fluids. As water is a Newtonian fluid a constant viscosity assigned to related models and due to the non-Newtonian behavior of blood its viscosity was modeled by the Power-Law approach. In terms of fluid type, scaffolds showed about five times higher permeability for water than the blood. In contrast, the WSS obtained for the blood fluid was about six times larger than the water. In the second section of this work, the effect of surface roughness on fluid flow dynamics of scaffolds was modeled exploiting a scaffold in three different pore sizes (300, 600 and 900 μm) with a square pore at a constant porosity (65%). Six levels (0, 4, 8, 12, 16 and 20 μm) of roughness were assigned to the walls of these scaffolds. The results showed that the effect of pore size on the permeability of scaffolds was more pronounced than the roughness effect. However, the effect of roughness in the scaffolds with the small pore sizes was found non-negligible. Moreover, the effects of surface roughness on the scaffolds WSS with 600 and 900 μm pores was higher than scaffolds with 300 μm of pore size. This result shows that the surface quality that is rising from production has a significant role in the fluid flow behavior within scaffolds (permeability and WSS).2017, 184 pagesKeywords: Bone graft, Scaffolds, CFD analysis, Surface roughness, non-Newtonian fluids