Farklı malzemeler için yenilikçi diz implantı tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemi ile optimizasyonu
Innovative knee implant design for different materials and optimisation by finite element method
Yazar: TURAN IBRAHIMOVA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN İYİBİLGİN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Total diz artroplastisi (TDA) 50 yıldan daha uzun bir süredir dizin kronik dejeneratif hastalıklarını tedavi etmek için kullanılmaktadır. Bu uygulama ortopedik uygulamalarda tercih edilen, başarı oranı yüksek olan ve ekonomik bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Total diz artroplastisi (TDA) yöntemi, diz eklemindeki hasarlı dokunun çoğunu protez bir implantla değiştirerek diz ağrısını hafifleten bir prosedürdür. Sadece ciddi diz eklemi yaralanmalarında, aşırı deformasyonların görülmesi durumunda veya osteoartrit gibi dejeneratif hastalıklarda bu implant kullanılmaktadır. Tüm bu hastalıklarda, hastalar az ya da çok, şiddetli ağrı, rahatsızlık ve uzuv hareketlerinin kısıtlanması gibi problemler görülmektedir. Bu tip implant uygulamasından sonra hasta, normal günlük aktivitelerine devam edebilmekte ve ağrı vb. problemleri önemli ölçüde hafiflemektedir. Hedefe yönelik refleks terapisi ve iyileşme egzersizleri sayesinde, eski hareket kabiliyeti yeniden sağlanabilmektedir. TKA uygulamasında, ağrının azalması ve genel yaşam kalitesinin artması gibi hedef çıktıların yanısıra hastalarda tekrarlanabilir, kalıcı ve etkili iyileşmeler sağladığı görülmektedir. Total diz replasmanının endikasyonlarını ve prosedürlerini gözden geçirdiğimizde, bu yöntem, özellikle diz kireçlenmesi olan hastalarda önemli katkılar sağlamaktadır. Bununla birlikte, ağrının azaltılması, fonksiyonel iyileşme sağlanması ve yaşam kalitesinin iyileştirilmesi konularında hastalardan alınan geri dönüşlerde olulmlu yönde artışların olduğu görülmüştür. Diz implantı uygulaması, osteoartrit (travmaya bağlı diz kireçlenmesi), sedanter yaşam tarzları, vücutta sağlığı bozacak şekilde yağ oranının artması, kıkırdak hasarının görülmesi, kıkırdak kaybına bağlı dizin aşınması ve eklemin başlıca görevlerinden olan eğilme hareketlerinin yapılamaması gibi yaşam kalitesini düşüren diz rahatsızlıklarının cerrahi olarak tedavisinde kullanılan seçeneklerinden biridir. İmplant ömrünü tahmin etmek ve olası sorunları öngörmek için, protez davranışı ve nitelikleri gerçeğine uygun olarak tasarlanan prototip modeller üzerinde test edilmelidir. İmplant üretiminde kullanılan malzemeler değişiklik göstermekle birlikte, tipik olarak plastik, seramik veya metal alaşımları gibi biyouyumlu olan malzemelerden yapılmaktadır. Kişiye bağlı olarak, implantın boyutları ve beklenen fonksiyonlar değişmektedir ve bu durum, implant tasarımını doğrudan etkileyen en önemli parametredir. Yanlış kemik rezeksiyonu, kusurlu implant bileşeni tasarımı ve implant bileşeninin zaman içinde aşınması gibi nedenlerden kaynaklanan problemlerle karşılaşılmaktadır. Buna benzer şekilde, hatalı cerrahi tekniklerin uygulanması, implant bileşenlerinin hatalı üretimi, uygun olmayan implant seçimi, eklem gevşemesi ve hastaların önceden var olan anatomik kusurları nedeniyle de problemler ortaya çıkmaktadır. Total diz protezi uygulamalarında, protez ile kemik arasındaki boşluğu doldurmak için kemik çimentosu kullanılmaktadır. Çimento uygulanırken, protez takılırken, turnike gevşetilirken veya eklem küçültülürken, çimento embolisi veya kemik çimentosu implantasyon sendromu olarak bilinen sorunlar ortaya çıkabilmektedir. Bu sorunun gerçek kaynağı bilinmemekte olup, uygulamanın sonucu ile ilgili belirsizlikler bulunmaktadır. Diz implantı ve protez gibi ekipmanlar, mühendislerin, ortopedi uzmanlarının ve cerrahların ortak çalışmaları sonucunda geliştirilen tasarımlardır. Disiplinlerarası gerçekleştirilen bu iş birlikleri, uygulamanın başarı oranını artırmaktadır. Bu alanda kullanılmak üzere yeni malzemelerin araştırılması ve yeni teknolojilerin geliştirilmesine bağlı olarak bu süreçler daha da hız kazanmaktadır. İmplant geliştirme süreçlerinde biyo-uyumlu malzemelerin kullanılması, alerjik etkilerinin olmaması, antibakteriyel olması ve dış etmenlere dayanıklı olmasını sağlamak amacıyla araştırmaların sürekli devam etmesi gerekmektedir. Son yıllarda, biyomalzemeler ve dokular arasındaki etkileşimler konusunda yapılan araştırmalar da önemli bir artış görülmektedir. Günümüzde, artrit (ağrıya neden olan eklem hastalığı), kazalar veya spor yaralanmaları nedeniyle meydana gelen problemlerin sayısındaki artış, artroplasti ameliyatı geçiren hasta sayısında da artışa neden olmuştur.
Hastaların önemli bir kısmı implant uygulamasını tercih ederken, diğer bir kısmı cerrahi yöntemleri tercih etmektedir. Bu konuda doktor tavsiyesi önemli bir faktör iken, bazı durumlardan hastanın fikri alınarak seçim yapmasına imkân verilmektedir. Diz implantı uygulamalarında kullanılan malzemeler biyo-uyumlu olsa bile, vücut sıvısı ile temas etmesi, komplikasyonlar vb. nedenlerden dolayı bu özelliğini kaybedebilmektedir. Biyomalzemeler, çevrelerindeki dokular ve ortamla etkileşimleri nedeniyle, kanda serbest radikal iyonlarının oluşmasına neden olan mikroskobik partiküller üretir veya salmakta, bu da etkilenen bölgede iltihaplanmaya neden olmaktadır. Her implant malzemesi biyo-uyumlu olmakla birlikte, kendi içerisinde önemli farklılıklara sahiptir. İmplant uygulamaları, hastanın eklem yapısına ve uygulanacak cerrahi prosedüre göre özel gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır.
Diz protezi ameliyatı sırasında, hasarlı veya yıpranmış diz eklemi bileşenleri yapay olarak geliştirilmiş implantlar ile değiştirilmektedir. Yapay implantların üretiminde metal, seramik ve plastik malzemeler kullanılmaktadır. Bu işlemler dizin işlevselliğini artırmak, ağrıyı azaltmak ve hastaların yaşam kalitesini yükseltmek amacıyla uygulanmaktadır. İmplantın kullanım durumuna bağlı olarak birbiri ile temas halinde olan parçalarda aşınma meydana gelmekte ve aşınmanın belirli bir sınırı geçmesi durumunda implantın değiştirilmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Diz replasmanlarının çoğunluğu 15 ila 20 yıl süre ile kullanılabilmektedir. Yaşam standartlarının artmasına bağlı olarak beklenen yaşam süresinin sürekli arttığı günümüz koşullarında, bunun yetersiz olduğu açıktır. Örneğin, 50 yaşında total kalça protezi olan bir hastanın yaşamı boyunca bir veya iki kez yeniden ameliyat olması gerekebilir. Dize yük bindiren hareketlerden kaçınmak, çok gerekli olmadıkça koşmamak ve sağlıklı kiloyu korumak protez sonrası diz sağlığını korumak için çok önemlidir.
Yapılan tez çalışmasında, hastanın sağlık durumu, yaşı, cinsiyeti, kilosu vb. nedenlere bağlı olarak oluşan diz eklemi sorunlarını çözmek amacıyla, yapay diz implantı tasarımı yapılması planlanmıştır. Bu durumlarda, oluşturulan nihai model, herhangi bir üç bölmeli diz protezinin geometrik tasarımının karmaşıklığı ve bileşenlerin belirli boyutlarının özgünlüğü nedeniyle her hasta için özelleştirilmiş gerçeğe yakın bir model olmalıdır. İmplant tasarımı yapılırken, hastanın anatomik, fizyolojik ve kişisel özellikleri dikkate alınarak boyutlandırma yapılması implantın başarısını önemli ölçüde etkilemektedir. İmplant tasarımında yer alan en önemli adımlardan bir tanesi, hastanın anatomik ölçümlerine dayanan CAD tasarımının oluşturulmasıdır. Bu yöntemin en büyük avantajı, ilk modeli parametrik olarak oluşturduktan sonra, sadece tasarım boyutlarını değiştirerek modelin çok sayıda hastaya uygulanabilmesidir. Çalışmada bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve bilgisayar destekli analiz (CAE) yöntemlerinin kullanılması hedeflenmektedir. Tasarımlar, SolidWorks yazılımında,analizler ise, ANSYS WorkBench yazılımında gerçekleştirilmiştir. CAD modeli oluşturulduktan sonra ANSYS WorkBench yazılımı kullanılarak analizler yapılmış ve ardından SE yaklaşımı ile optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Tasarımlar sırasında 5 farklı et kalınlığında yapay diz implantı modeli oluşturulmuş ve 4 farklı malzeme (PE, UHMWPE, PEEK, PMMA) dikkate alınarak farklı basınç değerleri etkisi altında implant üzerinde oluşan değişimler SE yöntemi ile incelenmiştir.
Sonuç olarak, tasarlanan yapay diz implantı modeli için optimum et kalınlığı, malzeme ve basınç değeri SE yöntemi ile optimize edilmiştir. Ayrıca maliyet yönünden karşılaştırma yapılarak en uygun diz implantı tespit edilmiştir. Diz implantı üretimi için kullanılması düşünülmüş biyomalzemelerin yanı sıra temel özellikleri, faydaları, dezavantajları, uygulama şartları ve bu gibi durumlara bağlı olarak ameliyat sonrası oluşabilen komplikasyonlar belirlenmiştir.

Abstract:
Total knee arthroplasty (TKA) has been used for more than 50 years to treat chronic degenerative conditions of the knee. One of the most economical and consistently successful orthopedic procedures is total knee arthroplasty (TKA). Total knee arthroplasty (TKA) is a procedure that relieves knee pain by replacing the majority of damaged tissue within the knee joint with a prosthetic implant. Implants are only used in cases of severe knee joint injuries, excessive deformations or degenerative diseases such as osteoarthritis. All these diseases cause patients to experience more or less severe pain, discomfort and restricted limb movement. After the implant, the patient can resume normal daily activities, which relieves the pain. Through targeted reflex therapy and recovery exercises, mobility is restored during the procedure. TKA has led to reproducible, durable and effective improvements in patients, as evidenced by outcomes such as reduced pain and improved overall quality of life. In addition to reviewing the indications, risks and procedures of total knee replacement, this exercise plays an important role in the health of patients with knee arthritis. However, with regard to pain reduction, functional improvement and better quality of life, patientreported outcomes have been shown to be significantly improved. The use of knee implants is one of the options used in the surgical treatment of knee conditions that reduce the quality of life, such as osteoarthritis (calcification of the knee due to trauma), sedentary lifestyle, increased fat content in the body that affects health, cartilage damage, wear and tear of the knee due to cartilage loss, and the inability to perform bending movements, which is one of the main functions of the joint. To anticipate implant life and foresee potential issues, prosthetic behavior and qualities must be studied before being implanted into a human body. An embed's composition may alter, however it is typically made of biocompatible substances like plastic, ceramics, or metal alloys. The affected person's needs can also influence the implant's design. Due to improper bone resectioning, defective implant component design, and implant component wear and tear over time, instability at the knee implants and subsequent stages following TKA are all brought on by these factors. Similar to this, faulty surgical techniques, inaccurate fabrication of implant components, inappropriate implant selection, joint loosening, and patients' pre-existing anatomical flaws all contribute to the misalignment of knee implants. Bone cement may be used during total knee replacement to fill the area between the prosthesis and bone. When applying cement, installing a prosthesis, loosening a tourniquet, or decreasing a joint, a condition known as cement embolism or bone cement implantation syndrome can cause hypoxia and/or hypotension as well as cardiac mortality. The real incidence of this issue is unknown, however it is still uncertain if it is uncommon or underdiagnosed.  
Devices such as knee implants and prostheses are designs that are the result of collaboration between engineers, orthopaedic specialists and surgeons. This interdisciplinary collaboration increases the success rate of the application. Research into new materials and the development of new technologies are accelerating these processes. Research is constantly being conducted to create implants that are fully biocompatible, do not cause side effects such as allergic, anti-bacterial and resistant to external influences. In recent years, significant research has been conducted into the interactions between biomaterials and tissues, as well as the use of biocompatible materials to reconstruct the body's natural tissues. In the present, there is an increase in patients suffering from arthritis or other injuries brought on by accidents or sports, which has led to an increase in the number of patients undergoing arthroplasty surgery. As a result, a sizable number of patients may choose a revision surgical procedure. The materials to be applied to form the knee implant must be biocompatible, meaning they must be able to function as intended within the body without triggering a reaction that would cause the body to reject them. Due to their interaction with the surrounding tissues and environment, biomaterials do manufacture or release microscopic particles that cause the blood to develop free radical ions, which in turn causes inflammation in the affected area. Due to the fact that only a small number of microscopic particles are emitted, only a few biomaterials are examined and used in the medical industry. However, the particular requirements of the implant's material to be utilized vary, and must be established by the patient's condition, the structural makeup of the joint, and the surgical procedure that will be applied. In knee replacement surgery, damaged or worn knee joint components are replaced with artificial implants. Metal, ceramic and plastic materials are used to make artificial implants. They are used to improve the functionality of the knee, reduce pain and improve the patient's quality of life. Depending on how the implant is used, the parts that come into contact with each other will wear out, and if the wear exceeds a certain limit, the implant will need to be replaced. Most knee replacements can be used for 15 to 20 years. This is obviously inadequate in today's environment where life expectancy is continually rising. For instance, a patient who has a total hip replacement at age 50 can require one or two reoperations throughout the course of their lifespan. It's crucial for maintaining knee health after a prosthesis to avoid actions that put strain on the knee, refrain from running unless absolutely essential, and maintain a healthy weight. 
This dissertation aims to design an artificial knee implant to solve knee joint problems caused by the patient's health status, age, gender, weight, etc. In these situations, the final model created must be a lifelike model customized for each patient due to the complexity of the geometric design of any three-compartment knee prosthesis and the specificity of the particular dimensions of the components. In this way, when designing the implant model, the design size and geometric harmony should be determined by taking into account individual features such as anatomy and physiology. One of the most important steps during implant design is the creation of a CAD design based on the patient's anatomical measurements. The advantage of the method is that the model can be applied to a large number of patients by simply changing the design dimensions. The study aims to use Computer Aided Design (CAD) and Computer Aided Analysis (CAE) methods. The designs were done in SolidWorks software and the analyses were done in ANSYS WorkBench software. After the CAD model was created, analyses were performed using ANSYS WorkBench software and then optimisation was performed using the finite element approach. During the designs, artificial knee implant models with 5 different wall thicknesses and 4 different materials (PE, UHMWPE, PEEK, PMMA) were considered and the changes that occur on the implant under the influence of different pressure values were analysed using the finite element (FEM) method. As a result, the optimum wall thickness, material and pressure value for the designed artificial knee implant model were optimised using the finite element method. In addition, the most suitable knee implant was determined by cost comparison. Furthermore, the side effects that occur after the application of the examined materials to the body were also examined. The biomaterials considered to be used for the production of knee implants, as well as their basic properties, benefits, disadvantages, application conditions and postoperative complications that may occur depending on such situations are determined.