31541

بررسي رفتار شكست كامپوزيت‌هاي مشبك درهم‌تنيده سراميك/پليمر توليدشده با روش ساخت افزايشي

دكتري

مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي

1398

1403/08/21

دكتر فتح اله طاهري بهروز

دكتر مهدي قهاري

مهندسي مكانيك

مهندسي بافت استخوان طي سال‌هاي اخير پيشرفت‌هاي چشمگيري را در توسعه داربست‌هاي زيست‌سازگار و بهبود خواص مكانيكي به ويژه در نقاط باربر بدن به‌ ثبت رسانده است. اين تحقيق به بررسي سنتز، بهينه‌سازي و ارزيابي مكانيكي داربست‌هاي كامپوزيتي سراميك/پليمر از جنس هيدروكسي‌آپاتيت/كيتوسان با رويكرد به‌كارگيري در ايمپلنت‌هاي زيست‌پزشكي و به‌‌منظور بازسازي بافت استخواني مي‌پردازد. فرآيند پژوهش شامل طراحي آزمايش‌ها به منظور تهيه و ارزيابي 13 تركيب مختلف خمير سراميكي بوده كه از طريق تست‌هاي رئولوژيكي مناسب براي چاپ سه‌بعدي مستقيم جوهر انتخاب مي‌شوند. تحليل‌هاي مورفولوژيكي از نمونه‌هاي چاپ شده با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي و طيف‌سنجي پراش انرژي اشعه ايكس انجام گرفته و در نهايت با بهره‌گيري از بهينه‌ساز طراحي، تركيب ايده‌آل هيدروكسي‌آپاتايت/سيليكا شناسايي شد. استحكام فشاريMPa 7.8 در چگالي نسبيgr/Cm3 0.4، مشابه با خواص مكانيكي استخوان ترابكولار، حاصل گرديد. در مرحله دوم، روش‌هاي مختلف سنتز پودر سه‌فازي متشكل از هيدروكسي‌آپاتايت، تري‌كلسيم‌فسفات و كلسيم‌فسفات‌سيليكات همراه با اصلاح سطحي پودر به‌وسيله پوشش نانو‌سيليكا با بهره‌گيري از تترااتيل‌اورتوسيليكات، بررسي گرديد. تأثير شرايط مختلف كلسيناسيون، مقدارسيليكا، خواص برون‌تني و همچنين، پروتكل‌هاي تف‌جوشي بهينه‌سازي شدند تا از بروز ترك‌هاي سطحي جلوگيري گردد. در نهايت، استحكام فشاري مواد سراميكي در مقايسه با مواد تجاري نشان از بهبود 117% داشته و به ميزانMPa 9.05 رسيد. در مرحله نهايي پژوهش، رفتار شكست داربست‌هاي سراميكي رخنه‌دهي‌شده با پليمر، تحت بارگذاري مود تركيبي و با بهره‌گيري از طراحي مش‌هاي وورونوي مورد مطالعه قرار گرفته است. داربست‌ها با استفاده از چاپ سه‌بعدي مستقيم جوهر پرينت شده و توسط پليمر چيتوسان به‌منظور بهبود خواص مكانيكي رخنه‌دهي شده‌اند. آزمايش‌هاي كششي با بهره‌گيري از ديسك برزيلي و رفتار شكست با استفاده از نمونه‌هاي خمشي تركدار انجام پذيرفت. مدل تشابه ساختاري كامپوزيت‌هاي درهم‌تنيده همراه با معيار بيشينه تنش مماسي تعميم‌يافته براي پيش‌بيني بارهاي شكست توسعه يافت. نتايج بررسي روش اجزاي محدود و تئوري به‌كارگرفته شده نشان داد كه مدل‌سازي رفتار شكست با دقتي معادل 23٪ خطا به‌طور مؤثر انجام پذيرفته است. چقرمگي شكست اين داربست‌ها بين 28 تا KPa (m^0.5 ) 382 برآورد گرديده كه با خواص استخوان ترابكولار طبيعي همخواني دارند. نتايج اين مطالعه نشان‌دهنده بهبودهاي قابل‌توجه در خواص مكانيكي و رفتار شكست داربست‌هاي سراميك/پليمر است. از طريق فرمولاسيون نوين پودرها، اصلاح سطحي و استفاده از تكنيك‌هاي پيشرفته چاپ سه‌بعدي، اين پژوهش طراحي‌هاي بهينه‌اي از داربست‌ها ارائه مي‌دهد كه قادر به الگوبرداري از بافت استخواني در نقاط نيمه باربر بدن هستند. اين يافته‌ها راه را براي پيشرفت‌هاي آينده در توسعه ايمپلنت‌هاي پزشكي شخصي‌سازي‌شده هموار مي‌سازد و چارچوبي قوي براي بهبود نتايج بيماران در بازسازي و ترميم استخوان فراهم مي‌كند.

1403/08/26

Investigation on the Fracture Behavior of Additively Manufactured Ceramic/Polymer Interpenetrating Composite Scaffolds

11/11/2025 12:00:00 AM

The field of bone tissue engineering has advanced significantly, focusing on the development of biocompatible scaffolds with improved mechanical properties for load-bearing biomedical applications. This thesis aims to synthesize, optimize, and characterize ceramic/polymer composite scaffolds for use in bone tissue regeneration. The first phase explores the integration of nano-silica (SiO2) into Hydroxyapatite (HA) scaffolds to enhance mechanical strength, printability, and biocompatibility. A Design of Experiment (DOE) methodology was used to develop 13 ceramic pastes optimized for rheological properties, extrudability, and 3D printability. Characterization techniques, including amplitude and flow sweep tests, Scanning Electron Microscopy (SEM), and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), were employed. The Definitive Screening Design (DSD) identified an ideal HA/SiO2 composition, achieving a compressive strength of 7.8 MPa and mimicking trabecular bone properties. The second phase focuses on synthesizing and modifying triphasic ceramic powders, including calcium phosphate (TCP), HA, and calcium phosphate silicate (CPS). Coating the triphasic powder with silicon dioxide (SiO2) using tetraethyl orthosilicate (TEOS) significantly enhanced the mechanical properties, with a 117% increase in compressive strength (up to 9.05 MPa). These modified materials were optimized for Direct Ink Writing (DIW) 3D printing. In the third phase, the fracture behavior of polymer-infiltrated ceramic scaffolds (PICNs) was studied using Voronoi tessellation designs for mixed-mode fracture testing. The DIW-printed scaffolds, infiltrated with chitosan polymer, demonstrated improved toughness. Fracture testing was conducted using Brazilian Disk (BD) and Short Beam Bend (SBB) samples, with the Infiltrated Composite Isomorphism Model (ICIM) and Generalized Maximum Tangential Stress (GMTS) criterion predicting fracture loads. Finite Element Method (FEM) analysis showed reliable fracture behavior predictions, with an average error of 23%. The results show significant improvements in the mechanical performance and fracture resistance of ceramic/polymer scaffolds, paving the way for more effective, load-bearing medical implants. The optimized scaffold designs offer promising solutions for future advancements in bone regeneration, contributing to the development of personalized medical implants for enhanced patient outcomes.

داربست استخواني , پرينت سه بعدي , مكانيك شكست , سراميك , سراميك رخنه دهي شده با پليمر

Bone Scaffolds , 3D printing , Fracture Mechanics , Ceramic , Polymer Infiltrated Ceramic Network (PICN)

Behnam Ameri

Fathollah Taheri-Behrooz