بررسي خواص مكانيكي يك ماده متخلخل تابعي براي كاربرد در بافت هاي جايگزين به روش تحليلي و عددي

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

مواد بيولوژيك متخلخل دسته جديدي از مواد هستند كه با توجه به خواص مكانيكي ويژه نظير سختي و چگالي قابل تعريف و نيز فراهم نمودن امكان رشد استخوان، براي كاربردهاي مختلف پروتزهاي بيولوژيك از جمله جايگزيني استخوان در نظر گرفته مي شوند. از طرفي پيشرفت هاي اخير در زمينه ساخت با استفاده از پرينتر 3بعدي، امكان ساخت اين مواد را با ريزساختارهاي تعريف شده و كارآمد فراهم آورده است. در پژوهش پيش رو يك ماده متخلخل تابعي با تخلخل متغير در لايه هاي مختلف مبتني بر يك سلول واحد ارتوتروپيك جديد توسعه يافته و معرفي شده است. خواص مكانيكي اين سازه ارتوتروپيك شامل مدول الاستيسيته و تنش تسليم در جهات مختلف با توسعه روابط تحليلي حاكم به شيوه تئوري محاسبه شده است. همچنين براي صحه گذاري نتايج تحليل تئوري، مدل سازي عددي سازه در نرم افزار اجزاء محدود صورت گرفته است. نتايج تطابق مناسبي را بين روش تئوري و مدل سازي عددي نشان داده است. در ادامه با درنظرگرفتن سه سازه با ميزان تخلخل هاي مختلف، خواص مكانيكي در هريك از لايه ها و نيز خواص كل سازه محاسبه شده است. خواص سازه هاي معرفي شده با خواص مكانيكي بافت استخوان تطابق خوبي را نشان داده است. در پايان تاثير تغييرات مشخصه هاي مختلف سلول واحد ماده بر خواص مكانيكي كل سازه بررسي شده است و مشاهده شد كه اين تغييرات تاثير قابل توجهي بر خواص مكانيكي كل سازه داشته و با تعيين مناسب مشخصه هاي هندسي مي توان به كارآيي مناسب و توزيع مناسب خواص ماده براي كاربردهاي مورد نظر دست يافت.

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.