Kemik cisim kırıklarında 3D yazıcı kullanılarak üretilmiş biyoçözünür implantların stabilite üzerine mekanik etkilerinin incelenmesi
Analysis of mechanical stability of 3D-printed biodegradable implants for the treatment of bone fractures
Yazar: MUSTAFA BUĞRA AYAZ
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ÇAĞRI TEKİN
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / Prof. Dr. Cemil Taşcıoğlu Şehir Hastanesi / Ortopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology
Dizin: Biyobozunur polimerler = Biodegradable polymers ; Biyomekanik = Biomechanics ; Kemik plakları = Bone plates ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Giriş: Biyoçözünür plaklar, kırık kemikleri stabilize etmek, kemik büyümesini desteklemek ve kemiklerin doğru şekilde iyileşmesini sağlayan hafif ve üstün mekanik özelliklere sahip malzemelerdir. Bu yöntemde plak çıkarılması için ikincil cerrahiden kaçınılabilir, malzeme üzerine yüklenecek ilaç ve maddelerin terapötik avantajlarından ve kemik segment kayıplarında kemik ikameleri dahil biyomühendislik uygulamalardan faydalanabilir. Ancak mekanik özellikleri titanyum implantlara göre düşüktür ve çoğu zaman yeterli dayanım sağlamaz.
Amaç: Titanyum DCP ile benzer dayanım elde edilebilmesi için biyokompozit çözünebilir plak tasarımının hangi parametrelerden etkilendiğini belirlenmesi ve örnek modellerin analizi amaçlandı.
Gereç ve Yöntem: Çalışmada 10 delikli 3,5 mm standart titanyum DCP ile eşit uzunlukta kompozit plak modelleri kıyaslanmıştır. Kullanılacak kompozit plak malzeme olarak PA6-nHAp seçilmiş ve malzemenin literatürden elde edilen verilerle elastikiyet modülü 3,52 GPa olarak belirlenmiştir. Ti4Al6V elastikiyet modülü ise 110 GPa olarak belirlendi. Buna göre 3,5 mm kalınlık ve 10 mm genişlikte titanyum plak için bükülme sertliği hesaplanarak kompozit plak modelin en az 8,5 mm kalınlık ve 16 mm genişlikte olması gerektiği saptanmıştır. Benzer durum vida boyutları için hesaplanarak 3,5 mm çaplı Ti4Al6V vidalar için en az 7,5 mm çaplı kompozit vidalar gerektiği görüldü. Buna göre 3 mm eninde titanyum plak ile 8,9 ve 10 mm eninde 3 adet düz kompozit plağın 3 boyutlu tasarımı yapıldı. Ardından merkezi genişliği arttırılmış ve kavisli olmak üzere iki faydalı model ve bu modellerden türetilmiş iyileştirilmiş modeller oluşturuldu. Sonlu eleman analiz yöntemi ile plak davranışlarının değerlendirilmesi için Ansys 2022 R2® yazılımı kullanıldı. 30 mm çaplı silindirik kemik modelleri üzerinde kırık hattı oluşturularak plak modelleri ile tespit sağlandı. Çalışmada alt ekstremite yükleri referans alınarak 800 N kompresyon, 300 N distraksiyon ve 100 N/m rotasyonel kuvvetler uygulanarak sonuçları incelendi.

Bulgular: Buna göre düz kompozit modellerden 8 mm kalınlıktaki plağın en başarısız olduğu, 9 mm kalınlıktaki plağın titanyuma göre daha başarılı olamadığı ve 10 mm enindeki plağın tüm testlerde titanyum plaklara göre en başarılı model olduğu görüldü. İyileştirilmiş-geliştirilmiş tasarımlardan olan hibrit plak modelin kompresyon testlerinde en başarılı model olduğu ve 7,5 mm kalınlığa sahip olmasıyla malzemeden tasarruf sağlanabileceği ve cilt altı uygulamalarında sorunsuz kullanılabileceği gösterildi. Kavisli model başka bir çalışmadan referans alınarak geliştirilmiş ancak bu çalışmada aynı derecede performans sergilememiştir. Göbekli plak tasarımında yine malzemeden tasarruf prensipleri benimsenmiş ancak rotasyonel testler harici başarı görülmemiştir. Geliştirilmiş plak modelinin birçok analizde 10 mm kalınlıklı düz kompozit plak kadar ya da daha fazla başarı gösterdiği görülse de malzemeden tasarrufun beklenildiği derecede sağlanamamış olması ve cilt altına uygulamada oluşturacağı problemler göz önüne alındığında başarısız olarak değerlendirilmiştir.
Sonuç: Biyokompozit plakların çalışma prensibi iyi bilindiğinde doğru morfolojik karakterizasyonu yapılarak ve tasarım ile özellikleri geliştirilerek yük taşıyan bölgelerin kırık tedavisinde kullanılabilir. Gelecek çalışmalarda daha iyi tasarımlar ile daha iyi malzeme işleme yöntemlerine odaklanarak bu malzemelerin biyolojik özelliklerinden faydalanılması amaçlanmalıdır.

Abstract:
Introduction: Biodegradable plates are materials with lightweight and superior mechanical properties used to stabilize broken bones, promote bone growth, and ensure the proper healing of bones. This method helps avoid secondary surgeries for plate removal, capitalizes on the therapeutic advantages of drugs and substances to be loaded onto the material, and benefits from bioengineering applications, including bone replacements in cases of bone segment losses. However, their mechanical properties are lower compared to titanium implants and often do not provide sufficient strength.
Aim: The aim was to determine the parameters that influence the design of biocomposite biodegradable plates to achieve a similar strength to Titanium DCP and to conduct an analysis of sample models.
Materials and Methods: The study compared composite plate models of equal length to a 10-hole 3.5 mm standard titanium DCP. PA6-nHAp was chosen as the material for the composite plate, and its elastic modulus was determined as 3.52 GPa using data obtained from the literature. The elastic modulus of Ti4Al6V was determined as 110 GPa. Consequently, the bending stiffness for a 3.5 mm thick and 10 mm wide titanium plate was calculated, indicating that the composite plate model should be at least 8.5 mm thick and 16 mm wide. Similar calculations for screw sizes showed that composite screws with a minimum diameter of 7.5 mm were required for 3.5 mm diameter Ti4Al6V screws. Accordingly, a three-dimensional design was made for a 3 mm wide titanium plate and three flat composite plates with widths of 8.9 mm and 10 mm. Subsequently, two useful models with increased central width and curvature were created, along with improved models derived from these. Ansys 2022 R2® software was used for the finite element analysis to evaluate the plate behaviors. Fracture lines were created on 30 mm diameter cylindrical bone models, and fixation was provided with plate models. Applying lower limb loads as a reference, compression of 800 N, distraction of 300 N, and rotational forces of 100 N/m were applied to examine the results.
Results: As per the findings, among the flat composite models, the 8 mm thick plate showed the least success, the 9 mm thick plate couldn't outperform titanium, while the 10 mm wide plate proved to be the most successful model in all tests compared to titanium plates. The hybrid plate model, among the improved designs, demonstrated the highest success in compression tests, indicating potential material savings with its 7.5 mm thickness, making it suitable for subcutaneous applications. Although the curved model was developed based on another study, it did not perform equally well in this research. While adopting material-saving principles in the belly-plated design, success was not observed outside rotational tests. Despite the improved plate model showing as much or even greater success than the 10 mm thick flat composite plate in several analyses, its failure was considered concerning due to the inability to achieve expected material savings and potential issues with subcutaneous applications.
Conclusion: With a thorough understanding of the working principles of biocomposite plates, their proper morphological characterization, and enhanced properties through design, these materials can be utilized in load-bearing regions for fracture treatment. Future research should aim to capitalize on the biological properties of these materials by focusing on better designs and improved material processing methods. This approach could pave the way for leveraging these materials more effectively in medical applications.