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

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

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.

238287

ساخت و توليد

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان