ارزیابی مدول یانگ و ضریب پواسون ساختار متخلخل دایموند برای استفاده در ایمپلنت‌های ارتوپدی به روش اجزای محدود

ایمپلنت های ارتوپدی یکی از قابل اعتمادترین روش ها در درمان آسیب دیدگی های وارد بر استخوان هستند. در طراحی ایمپلنت های ارتوپدی همواره سعی می شود که مدول الاستیسیته ایمپلنت به استخوان نزدیک باشد تا از بروز عوارضی مانند سپر تنشی جلوگیری شود. در این راستا متخلخل نمودن ایمپلنت ها به عنوان یکی از راه حل های جدید و موثر برای این مشکل ارایه شده و پرینت سه بُعدی امکان ایجاد انواع مختلف ساختارهای متخلخل را برای ایمپلنت به وجود آورده است. برای نزدیک کردن مدول الاستیسیته ایمپلنت با ساختار متخلخل به استخوان، از هندسه های مختلف تخلخل استفاده می شود. در این مطالعه خواص مکانیکی ساختار متخلخل دایموند از جنس تیتانیوم مورد بررسی قرار گرفته و رابطه ای برای به دست آوردن مدول الاستیسیته بر حسب پارامترهای هندسی این ساختار معرفی شده است. با توجه به نتایج به دست آمده از حل اجزای محدود، اختلاف بین نتایج عددی با داده های تجربی بین 3/64% تا 18/51% مشاهده شد که البته مدول یانگ به دست آمده از این روش در مقایسه با نتایج تحلیلی، تطابق بیشتری با داده های تجربی دارد. در ضمن برای ساختارهای متخلخل یا چگالی نسبی بالاتر، مقدار این خطا کاهش پیدا کرد. علاوه بر این ساختار دایموند تیتانیومی در چگالی نسبی بین 0/06 و 0/16 مدولی معادل مدول یانگ استخوان اسفنجی خواهد داشت که این موضوع در طراحی های ایمپلنت های ارتوپدی بسیار موثر است.

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

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 rsquo;s modulus, which is an effective feature in design of orthopedic implants.