Kemik için meta-iskele tasarımı ve sonlu elemanlar analizi
Design and finite element analysis of meta-scaffolds for bones
Yazar: HÜMEYRA ŞEVVAL KAVAKLI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DAVER ALİ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Doku iskeleleri = Tissue scaffolds ; Elastik modül = Elastic module ; Kırıklar-kemik = Fractures-bone ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Kemik kırığı vakalarında kritik boyuttaki hasarlar kendiliğinden iyileşme gösteremeyeceği için cerrahi bir müdahale uygulanması kaçınılmazdır. Hasarlı kemikleri onarmak için doku mühendisliği uygulamalarından biri olan yapay kemik iskeleleri kullanılmaktadır. Kemik dokusu için gözenekli iskeleler doku mühendisleri tarafından geliştirilerek süngerimsi kemiğin gözenekli morfolojisi taklit edilmeye çalışılmaktadır. Doku mühendisliğinde tüm gelişmelere rağmen halen kemik iskeleleri için mükemmel bir model yani kemiğin tüm özelliklerini kapsamlı bir biçimde taklit edecek bir iskele modeli bulunmamaktadır. Bu nedenle hala doku mühendisleri tarafından optimize edilmiş iskele modelleri tasarlanmaya ve geliştirilmeye çalışılıyor. İskeleler gözenekli yapıları nedeniyle genel olarak düşük mekanik özelliklere sahiptir ve gözeneklilikleri arttıkça biyomekanik yükler altında daha da düşük dayanaklık gösterirler. Dolayısıyla hem yüksek gözenekliliğe sahip hem de gelişmiş mekanik özellik gösteren iskele tasarımı doku mühendisliğinde kritik bir konudur. Gözenekli yapıların mekanik özelliklerinin geliştirmesinin bir yolu metamalzeme yapılar tasarlamaktır. Metamalzemeler mekanik uygulamalarda genel olarak negatif Poisson oranlarıyla tanımlanmaktadır. Bu çalışmada yaygın şekilde kullanılan metamalzeme geometrileri kullanarak meta-iskeleler tasarlanıp onların mekanik özellikleri karakterize edilmiştir.  Chiral, Chiral Kafes, Re-entrant ve QSH isimli dört meta-iskele ve Octa isimli bir normal iskele mimarisi ve her beş iskele modeli %80, %85 ve %90 olarak üç farklı gözeneklikte tasarlanmıştır ve toplam on beş iskele modeli elde edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi kullanarak tasarlanmış iskelelerin etkili elastik modülü, von Mises gerilmesi ve Poisson oranları hesaplanmıştır. Her dört meta-iskele modeli negatif Poisson oranı göstermiştir ve gözeneklikleri artarak bu oran eksi yönde büyüme sergilemiştir. Octa modelde ise pozitif ve gözeneklilikten bağımsız sabit bir Poisson oranı gözlemlenmiştir.  Beş mimaride de gözeneklilik arttıkça etkili elastik modülünde azalma ve von Mises gerilmesinde ise artma gözlemlenmiştir. Meta-iskele modelleri arasında Chiral Kafes mimarili iskele en düşük etkili elastik modülü ve en yüksek von Mises gerilmesini gösteren model olarak ortaya çıkmıştır. Re-entrant-80 modelinin etkili elastik modülünün 12 GPa olması kortikal kemiğin elastik modülüne, Chiral Kafes-90 modelinin etkili elastik modülünün 0.4 GPa olması süngerimsi kemiğin elastik modülüne benzerlik göstermiştir. Bu çalışmanın sonuçları dört farklı meta-iskele mimarisini mekanik özellikler açısından inceleyerek doku mühendisliğinde geleneksel iskele mimarilerine alternatif modeller sunmuştur.

Abstract:
In bone fractures, using bone grafts is inevitable when damage size is critical and cannot heal spontaneously. Tissue-engineered artificial bone scaffolds are used to repair damaged bones. Tissue engineers are developing porous scaffolds for bone tissue to mimic the porous morphology of cancellous bone. Despite all the advances in tissue engineering, there is still no perfect model for bone scaffolds that comprehensively mimic all bone properties. That's why tissue engineers are still trying to design and develop more optimized scaffold models. Because of their porous structure, scaffolds generally have low mechanical properties and low resistance under biomechanical loads. Therefore, the design of scaffolds with high porosity and improved mechanical properties is a critical issue in tissue engineering. One approach to improve the mechanical properties of porous structures is to design metamaterials. Metamaterials are generally described with a negative Poisson ratio in mechanical engineering applications. In this study, meta-scaffolds were designed using widely used metamaterial geometries, and then these models' mechanical properties were characterized using finite element analysis. Therefore, four meta-scaffolds named Chiral, Chiral Cage, Re-entrant, and QSH were designed, and a typical scaffold architecture called Octa. Each of the five scaffold models is designed with three different porosities of 80%, 85%, and 90%. Thus a total of fifteen scaffold models have been developed. The designed scaffolds' effective elastic modulus, von Mises stress, and Poisson ratios were calculated using finite element analysis. All the four meta-scaffold models showed a negative Poisson's ratio, and this ratio showed growth negatively by porosity increase. On the other hand, a positive and porosity-independent constant Poisson's ratio was observed in the Octa model. The effective elastic modulus decreased in all five architectures, and the von Mises stress increased with porosity increase. Among the meta-scaffold models, the Chiral Lattice architecture emerged as the model with the lowest effective elastic modulus and the highest von Mises stress. This study examined four different meta-scaffold architectures' mechanical properties and presented alternative models to conventional scaffold architectures in tissue engineering.