22244

بررسي تاثير ذرات تقويت كننده روي مدل ساختاري سيمان استخواني پايه پليمري

دكتري تخصصي

بيومكانيك

1399/4/18

دكتر مهدي نويدبخش

مكانيك

سيمان استخواني يكي از پركاربردترين بيومواد در علم پزشكي و بخصوص تخصص ارتوپدي است كه جهت تثبيت و كاشت پروتز و نيز تحكيم مهره‌هاي آسيب ديده در ستون فقرات مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از آنجا كه عمده‌ترين دليل خرابي و ناكامي سيمان از عيوب و نواقص مكانيكي آن نشأت مي‌گيرد، تا كنون مطالعات و تلاش‌هاي بسياري در زمينه بهبود خواص مكانيكي سيمان استخواني صورت پذيرفته است. يكي از راهكارهاي پيشنهادي جهت ارتقا خواص مكانيكي سيمان استخواني، افزودن فيلرهاي زيست سازگار و تقويتي به ماتريس سيمان است. به عبارت ديگر، با توجه به خواص مكانيكي و زيستي نسبتاً ضعيف سيمان استخواني، با گذشت زمان تنزلي در فصل مشترك سيمان- ايمپلنت يا سيمان- استخوان پديدار مي‌شود كه اين امر به عدم پايداري و شكست مكانيكي و در نتيجه واماندگي سيستم پروتز منجر مي‌گردد. افزودن ذرات زيست سازگار و زيست فعال و نيز تقويتي به سيمان استخواني، علاوه بر افزايش استحكام سيمان، باعث تحريك استخوان و در نتيجه شكل‌گيري ماتريس استخوان مجاور به آن مي‌گردد كه به نوبه خود پايداري و بهبودي سريعتري را به ارمغان مي‌آورد. از سوي ديگر، عليرغم اهميت و كاربرد فراوان سيمان استخواني، مدل‌هاي رفتاري محدودي براي مدلسازي و تعبير رفتار سيمان استخواني و كامپوزيت‌هاي آن ارائه شده است؛ بخصوص مدلي كه بتواند پاسخگوي رفتار سيمان به آزمايش‌هاي ماكرو و نانو باشد. لذا با توجه به آنچه ذكر گرديد، رساله حاضر دو هدف اصلي را در زمينه سيمان استخواني دنبال مي‌كند: اول، ارائه يك مدل ويسكوپلاستيك بهينه كه بتواند بطور معقول و مناسبي رفتار سيمان استخواني را نمايش دهد؛ دوم، تاثير ذرات زيست سازگار، مانند هيدروكسي آپاتيت، و تقويت‌كننده، مانند آلومينا و نانو لوله كربن، روي خواص مكانيكي و مدل ساختاري سيمان استخواني پايه پليمري بررسي گردد. در اين راستا، با در نظر گرفتن مدل ساختاري ويسكوپلاستيك دو لايه و پارامترهاي تشكيل دهنده آن، بهترين مقادير پارامترهاي مجهول مدل ساختاري پيشنهادي يعني A، n و f با بكارگيري تركيبي از روش آزمايشگاهي و شبيه‌سازي از انطباق نتايج مدل و داده‌هاي تجربي بدست آمد. نتايج حاكي از آن است كه مدل ساختاري ويسكوپلاستيك بكار گرفته شده در اين رساله مي‌تواند رفتارهاي الاستوپلاستيك و ويسكوالاستيك سيمان را به طور جامعي پوشش دهد. نكته حائز اهميت ديگر، تغيير و عدم تغيير سه پارامتر A، n و f در پاسخ به سه نوع مختلف افزودني به سيمان است؛ بطوريكه افزودن هر سه نوع افزودني تغيير خاصي در مقدار پارامتر n ايجاد نكرد. لذا مي‌توان اينگونه عنوان كرد كه در مقادير محدود افزودني‌ها، پارامتر n تقريبا ثابت مي‌ماند. در مورد پارامتر f، با توجه به بازه‌اي كه اين پارامتر مي‌تواند به خود اختصاص دهد، با تغيير نوع فيلر تغيير محدودي نيز در اين پارامتر ايجاد گرديد. از سوي ديگر، پارامتر A با حفظ درجه خود، تغيير قابل توجهي در مواجهه با تغييرات و افزودن فيلر به سيمان از خود به نمايش گذاشت. بنابراين، نتيجه مهمي كه مي‌توان برداشت كرد اين است كه افزودن نانو ذرات تقويتي مي‌تواند باعث تغيير دو پارامتر A و f گردد بدون اينكه تاثيري بر پارامتر n داشته باشد. همچنين نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه خواص مكانيكي سيمان استخواني با افزودن نانو ذرات آلومينا (wt. % 3) و نانو لوله كربن افزايش مي‌يابد؛ در حاليكه افزودن نانو ذرات هيدروكسي آپاتيت موجب كاهش (wt. % 15) يا عدم تغيير معناداري در خواص مكانيكي سيمان استخواني مي‌گردد.

1399/06/31

Effects of reinforcing additives on the constitutive material model of orthopaedic bone cement using a combination of finite element and experimental analyses

7/9/2021 12:00:00 AM

Poly (methyl methacrylate) (PMMA-based) bone cements are extensively used in the medicine, especially in orthopedics, in order to secure implants/prostheses and to stabilize vertebral fractures. Since the most reason of bone cements’ failure originates from mechanical deficiencies, numerous studies have been carried out to improve the mechanical properties of the bone cement. One of the recommended ways to address this problem is incorporation of biocompatible and reinforcing additives to the cement’s matrix. In other words, taking relatively mechanical and biological weaknesses of the cement into consideration, a reduction in interaction/adhesion of either cement-implant or cement-bone in common interfaces would appear over time so that this causes a destabilization and fracture of the configuration, and consequently the prosthesis system would fail. Incorporating biocompatible and reinforcing fillers into the cement matrix lead onto not only strength enhancement but also the bone growth motivation and as a result, more bone formation in the surrounding area, resulting in more stability and faster treatment. Despite the importance and wide usage of the bone cement, limited constitutive material models have been investigated to present the cement and its composites behaviors. In this respect, here, the aim of the thesis is twofold. Firstly, it presents an optimized viscoplastic model, being able to cover perfectly the behavior of the cement. Secondly, it assesses the effects of biocompatible (e.g. hydroxyapatite (HA)) and reinforcing (e.g. Alumina (Al2O3) as well as single-walled carbon nanotube (SWCNT)) additives on both mechanical properties and constitutive material model. Considering these goals and two-layer viscoplasticity model alongside its constitution, the optimal values of the model parameters (i.e. A, n & f) were obtained for each case study using a combination of experimental and finite element analyses by making an analogy between the numerical and experimental outcomes. The results indicated that the used viscoplastic constitutive material model could suitably present both elastoplastic and viscoelastic terms of the cement. Any increase in model parameters i.e. A, n, and f -when the other two parameters were kept fixed- resulted in greater depth in the load-displacement curve. Although A and f values readjusted to PMMA nano-composites with different nano-additives, parameter n had almost no obvious change in all case studies and it was approximately equal to 2. The experimental results also revealed that the mechanical properties of the cement were improved by adding Al2O3 (3 wt. %) and SWCNT nano-additives, meanwhile the incorporation of nano-HA decreased (for the sample of 15 wt. %) or made no significant change (for the rest of PMMA/HA nano-composites) in the mechanical properties of the cement.