بررسی خواص مکانیکی یک ماده متخلخل تابعی برای کاربرد در بافت‌های جایگزین به روش تحلیلی و عددی

مواد بیولوژیک متخلخل دسته جدیدی از مواد هستند که با توجه به خواص مکانیکی ویژه نظیر سختی و چگالی قابل تعریف و نیز فراهم نمودن امکان رشد استخوان، برای کاربردهای مختلف پروتزهای بیولوژیک از جمله جایگزینی استخوان در نظر گرفته می شوند. از طرفی پیشرفت های اخیر در زمینه ساخت با استفاده از پرینتر 3بعدی، امکان ساخت این مواد را با ریزساختارهای تعریف شده و کارآمد فراهم آورده است. در پژوهش پیش رو یک ماده متخلخل تابعی با تخلخل متغیر در لایه های مختلف مبتنی بر یک سلول واحد ارتوتروپیک جدید توسعه یافته و معرفی شده است. خواص مکانیکی این سازه ارتوتروپیک شامل مدول الاستیسیته و تنش تسلیم در جهات مختلف با توسعه روابط تحلیلی حاکم به شیوه تئوری محاسبه شده است. همچنین برای صحه گذاری نتایج تحلیل تئوری، مدل سازی عددی سازه در نرم افزار اجزاء محدود صورت گرفته است. نتایج تطابق مناسبی را بین روش تئوری و مدل سازی عددی نشان داده است. در ادامه با درنظرگرفتن سه سازه با میزان تخلخل های مختلف، خواص مکانیکی در هریک از لایه ها و نیز خواص کل سازه محاسبه شده است. خواص سازه های معرفی شده با خواص مکانیکی بافت استخوان تطابق خوبی را نشان داده است. در پایان تاثیر تغییرات مشخصه های مختلف سلول واحد ماده بر خواص مکانیکی کل سازه بررسی شده است و مشاهده شد که این تغییرات تاثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی کل سازه داشته و با تعیین مناسب مشخصه های هندسی می توان به کارآیی مناسب و توزیع مناسب خواص ماده برای کاربردهای مورد نظر دست یافت.

Mechanical Properties of Functionally Graded Porous Biomaterials for Application in Prosthesis Replacement Using Analytical and Numerical Solution

Porous biomaterials are known as one of the brand new materials which considering the specific mechanical properties such as hardness and density and enabling bone growth are considered for various applications of biological prostheses including bone replacement. It has been entrenched that porous biomaterials can be produced considering defined representative volume elements by recent developments in additive manufacturing using a 3D printer. In this research, a novel functionally graded porous material is introduced based on a new representative volume element. The theoretical solutions are developed to calculation of the mechanical properties including elastic modulus and yield stress of the orthotropic material. Furthermore, numerical modeling was performed using finite element software to validate the theoretical analysis results. The results show good agreement between the theoretical method and numerical modeling. The mechanical properties of each layer as well as the properties of the whole structure have been studied considering the three structures with different porosity. As the results show, the obtained properties of the proposed structures are suitable for the application of the bone implant. Finally, the effect of geometrical features changes of representative volume elements on the mechanical properties of the structures has been studied. The results show that these changes had a significant impact on the mechanical properties of the structure and the proper efficiency and distribution of the material properties for the considered applications can be achieved by correctly defining the geometrical features.