Fonksiyonel derecelendirilmiş hibrid kafes yapılarının femoral bileşene uygulanabilirliğinin araştırılması
Investigation of applicability functionally graded hybrid scaffold structures on femoral component
Yazar: ENDER EMİR
Danışman: DOÇ. DR. ERKAN BAHÇE
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Diz protezi = Knee prosthesis ; Kafes yapılar = Truss structures ; Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; Üretim yöntemleri = Production methods

Özet:
Günümüzde havacılık, uzay, savunma ve biyomedikal gibi alanlarda geleneksel üretim yöntemlerinin yetersiz kalmasından dolayı eklemeli imalat (Eİ) yöntemleri tercih edilmektedir. Bu yöntemin kullanılması ile birlikte farklı geometrilerde ve gözenek boyutlarında üretimlerin yapılması mümkün hale gelmektedir. Özellikle biyomedikal uygulamalarda kullanılan eklem protezlerinin kullanım ömürlerinin arttırılabilmesi için Eİ yöntemleri ile kafes yapıları üretilmektedir 
Bu çalışmada fonksiyonel derecelendirilmiş hibrid (FDH) kafes yapılarının femoral bileşene uygulanabilirliği araştırılmıştır. Deneyler kapsamında üçlü periyodik minimal yüzey (ÜPMY) tabanlı ilkel kafes-gyroid (İK-G), hacim merkezli kübik-gyroid (HMK-G) ve ilkel kafes-hacim merkezli kübik (İK-HMK) kafes yapıları tasarlanmıştır. Tasarım sonrası hibrit kafes yapıları dört farklı gözeneklilik katsayısı için fonksiyonel derecelendirme (FD) yüzdesinde (%20-%30-%40-%50) seçici lazer ergitme (SLE) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Kafes yapılarının mekanik performansın belirlenebilmesi için tek eksenli basma testleri yapılmış ve sonlu elemanlar analizi (SEA) sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca üretim kusurları ve hassasiyetinin belirlenebilmesi için ise taramalı elektron mikroskop (SEM) ve micro-CT görüntüleri alınmıştır. Son olarak mekanik performans bakımından en iyi üç FDH kafes yapısı için hücre gelişim deneyleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen basma test sonuçlarında en yüksek elastik modül İK-HMK hibrid kafes yapısında iken enerji emilim kabiliyeti en fazla HMK-G hibrid kafes yapısında ölçülmüştür. Diğer yandan üretim sonrası alınan mikroskop görüntülerinde belirgin bir şekilde yapışmış partikül, merdiven etkisi ve kütle birikimi nedeni ile hem yüzeysel kusurlar ortaya çıkmış hem de boyut hassasiyetini olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir. Son olarak hücre gelişim sonuçları değerlendirildiğinde İK-G, İK-HMK ve HMK-G hibrid kafes yapılarının tümünde hücre canlılığının %80'in üzerinde olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak FDH kafes yapılarının femoral bileşene uygulanması ile diz eklem protezlerinin ömürlerinin arttırılabileceği önerilmektedir.

Abstract:
Nowadays, additive manufacturing (AM) methods are preferred due to insufficient production methods in aviation, space, defense industry and biomedical fields. With the use of this method, it becomes possible to produce different geometries and pore dimensions. Especially in order to increase the services life of joint prostheses used in biomedical applications, scaffold structures are produced with AM methods. 
In this study, the applicability of functional graded hybrid (FGH) scaffold structures to the femoral component was investigated. Within the scope of the experiments, the triple periodic minimal surface (TPMS)-based primitive-gyroid (P-G), body centred cubic -gyroid (BCC-G) and primitive-body centered cubic (P-BCC) scaffold structures are designed. After the design, hybrid scaffold structures were produced using the selective laser melting (SLM) method at functional grading (FG) percentage (20%-30%-40%-50%) for four different porosity coefficients. In order to determine the mechanical performance of the scaffold structures, single-axis compression tests were performed and compared with the results of finite element analysis (FEA). In addition, the scanning electron microscope (SEM) and micro-CT images were taken in order to determine production defects and sensitivity. Finally, cell growth experiments were performed for the top three FGH scaffold structure in terms of mechanical performance. In the compression test results obtained, the highest elastic modulus was in the P-BCC hybrid scaffold structure, while the energy absorption ability was measured in the BCC-G hybrid scaffold structure. On the other hand, in the microscope images taken after production, it was determined that both superficial defects appeared due to the bonded particle, stair effect and mass agglomeration, and it adversely affected the dimensional accuracy. Finally, when the cell growth results were evaluated, it was determined that the cell viability was above 80% in all P-G, P-BCC and BCC-G hybrid scaffold structures. As a result, it is suggested that the service life of knee joint prostheses can be increased with the application of FDH scaffold structures to the femoral component.