شماره ركورد
33974
پديد آورنده
رضا پيري حسين آبادي
عنوان
بهينهسازي ضخامت پوشش سطحي و توپولوژي هندسي دستهراني متخلخل مفصل هيپ
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/31
استاد راهنما
دكتر منصور عليزاده
استاد مشاور
دكتر سياوش كاظميراد
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
در سالهاي اخير، افزايش نرخ تعويض مفصل ران و نياز به بهبود عملكرد ايمپلنتهاي ارتوپدي، لزوم طراحيهاي نوآورانه با سازگاري مكانيكي و زيستي بالا را بيش از پيش نمايان ساخته است. يكي از مهمترين چالشهاي ايمپلنتهاي رايج، بروز پديدههايي نظير سپر تنشي، تنش تماسي در محل تماس ايمپلنت و استخوان است كه ميتوانند منجر به نارساييهاي مكانيكي و كاهش عمر مفيد پروتز شوند. در اين پژوهش، با هدف بهبود عملكرد مكانيكي ايمپلنت مفصل ران، اثر ضخامت پوشش سطحي و توپولوژي متخلخل با هندسه) TPMS سطوح كمينه تناوبي سهبعدي از نوع ژيروئيد( در ناحيه پروكسيمال ايمپلنت مورد بررسي و بهينهسازي قرار گرفت. بدين منظور، مدلهايي با ضخامت پوشش 5/0، 75/0، 1، 25/1 و 5/1 ميليمتر و درصدهاي تخلخل 40، 60 و80 درصد طراحي شدند. تحليلهاي عددي با استفاده از روش اجزاي محدود انجام شد تا معيارهايي چون تنش تماسي در محل تماس استخوان و پروتز، ميزان سپر تنشي و نيز تغييرشكل نسبي بررسي گردد. در گام بعد، بهمنظور يافتن تركيب بهينه پارامترهاي طراحي، از الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات چندهدفه (MOPSO) استفاده شد. نتايج تحليلها و بهينهسازي نشان داد كه مدل با ضخامت پوشش 3/0 ميليمتر و تخلخل 85 درصد) مدل (C03P85 عملكرد بهتري نسبت به ساير تركيبها دارد. اين مدل ضمن كاهش مؤثر سپر تنشي، تنش تماسي را در محدوده فيزيولوژيكي حفظ كرده و با ايجاد تطابق مناسب بين سفتي پروتز و استخوان ميزبان، از بروز بازجذب استخوان و شلشدگي زودهنگام جلوگيري ميكند. در مجموع، يافتههاي اين پژوهش نشان ميدهد كه طراحي پوششهاي متخلخل بهينهشده با استفاده از هندسههاي پيشرفته و روشهاي عددي، ميتواند بهطور مؤثري موجب بهبود فيكساسيون اوليه، افزايش پايداري بلندمدت و ارتقاء زيستسازگاري ايمپلنتهاي مفصل ران شود. همچنين اين مطالعه چارچوبي كاربردي براي طراحي ايمپلنتهاي سفارشيسازيشده فراهم ميكند كه در آن خواص هندسي و مكانيكي پوشش قابل تنظيم و متناسب با نياز هر بيمار است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/20
عنوان به انگليسي
Optimization of the surface thickness and geometric topology of porous hip stems
تاريخ بهره برداري
9/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
رضا پيري حسين ابادي
چكيده به لاتين
In recent years, the rising rate of hip joint replacement surgeries and the growing need to enhance the performance of orthopedic implants have highlighted the importance of innovative designs with high mechanical and biological compatibility. One of the major challenges associated with conventional implants is the occurrence of phenomena such as stress shielding and interfacial contact stresses at the implant–bone interface, which can lead to mechanical failures and a reduction in the service life of the prosthesis. In this study, with the aim of improving the mechanical performance of hip implants, the effects of surface coating thickness and porous topology with three-dimensional triply periodic minimal surface (TPMS) geometry of the gyroid type in the proximal region of the implant were investigated and optimized. For this purpose, models with coating thicknesses of 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, and 1.5 mm, as well as porosity levels of 40%, 60%, and 80%, were designed. Finite element analyses were carried out to evaluate criteria such as contact stress at the bone–prosthesis interface, stress shielding, and relative deformation. Subsequently, to determine the optimal combination of design parameters, a multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm was employed. The results of the analyses and optimization revealed that the model with a coating thickness of 0.3 mm and 85% porosity (C03P85 model) exhibited superior performance compared to other configurations. This model effectively reduced stress shielding, maintained contact stress within the physiological range, and achieved an appropriate match between the stiffness of the prosthesis and the host bone. Consequently, it can prevent bone resorption and premature loosening. Overall, the findings of this research demonstrate that optimized porous coatings, designed using advanced geometries and numerical methods, can significantly improve initial fixation, enhance long-term stability, and increase the biocompatibility of hip implants. Furthermore, this study provides a practical framework for the design of patient-specific implants, in which the geometric and mechanical properties of the coating can be tailored to meet individual clinical needs.
كليدواژه هاي فارسي
مفصل ران , ايمپلنت متخلخل , سپر تنشي , تنش تماسي , ساخت افزايشي , بهينهسازي چندهدفه , TPMS , تحليل المان محدود , ساختار ژيروئيد
كليدواژه هاي لاتين
Porous prosthesis , Additive manufacturing , Multi-objective optimization , TPMS , Finite Element Analysis , Gyroid structure , Stress shielding , Contact stress
Author
Reza Piri Hossein Abadi
SuperVisor
Dr. Mansour Alizadeh