مدل‌سازی و تحلیل مکانیکی صفحه تثبیت استخوانی کامپوزیتی فسفات کلسیم دوفازی/ ابریشم برای درمان شکستگی استخوان تیبیا

نویسندگان

گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

چکیده

هدف از این تحقیق، مدل‌سازی و تحلیل مکانیکی صفحه تثبیت استخوانی کامپوزیت لایه‌ای تخریب‌پذیر فسفات کلسیم دوفازی/ ابریشم (BCP/Silk) (چهار لایه فسفات کلسیم دوفازی و سه لایه ابریشم به‌صورت یک در میان) برای درمان شکستگی استخوان تیبیا است. جهت مدل‌سازی و تحلیل مکانیکی از نرم‌افزار آباکوس استفاده شد. ابتدا استخوان تیبیا بر اساس اندازه‌های آنتروپومتری یک انسان متوسط به‌صورت یک استوانه دولایه درنظر گرفته شد که بخش داخلی آن را مغز استخوان و بخش بیرونی آن را استخوان قشری تشکیل می‌دهد. سپس صفحه تثبیت استخوان و پیچ‌ها بر اساس استاندارد‌های موجود و همچنین با توجه به خواص مکانیکی کامپوزیت جدید مورد نظر این پژوهش، در نرم‌افزار آباکوس طراحی شد. مش صفحه تثبیت استخوان از نوع هرمی و برای بقیه تجهیزات از نوع آجری انتخاب شدند. صفحه تثبیت روی استخوان قرار گرفت و با مقید کردن استخوان در راستای محور Y، بار استاتیکی حدود 400 نیوتن اعمال شد. نتایج نشان می‌دهد که صفحه تثبیت استخوان کامپوزیتی علاوه‌ بر زیست‌سازگار و تخریب‌پذیر بودن دارای مدول الاستیک حدود 21 گیگاپاسکال بوده که نزدیک به مدول الاستیک استخوان است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling and Mechanical Analysis of Biphasic Calcium Phosphate/Silk Composite Bone Plate for Fractured Tibia Healing

نویسندگان [English]

  • S. F. Shams
  • M. Ebrahimian-Hosseinabadi
Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

The purpose of this paper was modeling and mechanical analysis of the biodegradable biphasic calcium phosphate/silk (BCP/Silk) laminated composite bone plate for fractured tibia healing; to this aim,ABAQUS 6.13 was employed for modeling and mechanical analysis. First, the tibia bone was considered based on the anthropometric measurements of an average person as a two-layer cylinder; the inner part was the bone marrow and the outer one was the cortical bone. Then, the bone plate and screws were designed according to the defined standards and the properties of new composite in the ABAQUS software. The mesh of bone plate and other equipments were selected to be tetragonal and cubic, respectivelly. After that, the bone plate was placed on the bone while the bone was bounded along the Y axis and the force of around 400 N was loaded. The results showed that the biocompatible and biodegradable composite bone plate had the elastic modulus of about 21 GPa, which was close to the bone modulus.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bone plate
  • composite
  • Tibia
  • Biodegradable
  • Biphasic calcium phosphate
  • Silk

مراجع

1. Erden, S., and Yildiz, H., Composite and Metal Bone Plate - Screw Fixation: A Numerical Comparison, ResearchGate, 2015.
2. Ganesh, V. K., Ramakrishna, K. and Ghista, D. N, “Biomechanics of Bone-fracture Fixation by Stiffness-Graded Plates in Comparison with Stainless-steel Plates” Biomedical Engineering Online, Vol. 4, pp. 1-15, 2005.
3. Kim, S. H., Chang, S. H., and Jung, H. J., “The Finite Element Analysis of a Fractured Tibia Applied by Composite Bone Plates Considering Contact Conditions and Time-varying Properties of Curing Tissues”, Composite Structures, Vol. 92, No. 9, pp. 2109-2118, 2010.
4. Aydin, E., Planell, J. A., and Hasirci, V., “Hydroxyapatite Nanorod-reinforced Biodegradable Poly(L-lactic acid) Composites for Bone Plate Applications”, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol 22, No. 11, pp. 2413-2427, 2011.
5. Choi, Y., Cho, S., Heo, S., and Jin, V., “Enhanced Mechanical Properties of Silk Fibroin-based Composite Plates for Fractured Bone Healing”, Journal of Fibers and Polymers, Vol. 14, No. 2, pp. 266-270, 2012.
6. Son, D., Mehboob, H., and Chang, S., “Simulation of the Bone Healing Process of Fractured Long Bones Applied with a Composite Bone Plate with Consideration of the Blood Vessel”, Journal of Composites: Part B, Vol. 58, pp. 443-450, 2013.
7. Kim, K. H., Jeong, L., Park, H. N., Shin, S. Y., “Biological Efficacy of Silk Fibroin Nanofiber Membranes for Guided Bone Regeneration”, Journal of Biotechnology, Vol. 120, No. 3, pp. 327-339, 2005.
8. Lereros, R. Z., and Lin, S., “Biophasic Calcium Phosphate Bioceramics: Preparation, Properties and Applications” Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 14, No. 3, pp. 201-209, 2003.
9. Youngeun, C., Se Youn, C., Semi, H., and Hyoung-Joon, J., “Enhanced Mechanical Properties of Silk Fibroin-based Composite Plates for Fractured Bone Healing”, Fibers and Polymers, Vol. 14, No. 2, pp. 266-270, 2013.
10. Hong-Ping, Zh., Xi-Qiao, F., Wei-Zheng, C., and Feng-Zhu, Z., “Mechanical Properties of Silkworm Cocoon Pelades”, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, No. 12, pp. 1953-1962, 2007.
11. Rengier, F., Mehndiratta, A., von Tengg-Kobligk,V., Zechmann, C. M., Unterhinninghofen, R., Kauczor, H.-U., and Giesel, F. L., “3D Printing Based on Imaging Data: Review of Medical Applications”, The International Journal for Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 5, No. 4, pp. 335-341, 2010.
12. Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. L., Chen, C., and Spence, D.M., “Evaluation of 3D Printing and Its Potential Impact on Biotechnology and the Chemical Sciences”, Analitical Chemistry, Vol. 86, No. 7, pp. 3240-3253, 2014.
13. Reis, R. L., and Weiner S., “Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes”, IOS press, Vol. 1, pp. 37-58, 2005.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 37، شماره 2
شهریور 1397
صفحه 59-67

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی