Lomber interbody füzyon için yeni bir kafes tasarımının sonlu elemanlar modeliyle biyomekanik olarak değerlendirilmesi
Biomechanical evaluation of a novel lumbar interbody fusion cage with finite element model
Yazar: CELAL BOZKURT
Danışman: DOÇ. DR. ALPASLAN ŞENKÖYLÜ
Gazi Üniversitesi / Tıp Fakültesi / Ortopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2010
Konu: Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology
Dizin: Biyocam = Bioglass ; Biyomekanik = Biomechanics ; Omurga = Spine ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Spinal hastalıklar = Spinal diseases ; Tıbbi araç-gereç ve donanımlar = Equipment and supplies

Özet:
AmaçBu çalışmada dejeneratif omurga hastalıklarının lomber interbody füzyon ile tedavisinde kullanılmak üzere biyocam içerikli yeni bir interbody kafes tasarlanması ve tasarlanan kafesin gerçek ortam ve sonlu elemanlar modeli ile biyomekanik olarak değerlendirilmesi ve tasarımının optimalize edilmesi amaçlandı.Gereç ve Yöntem15,5mm x 15,5mm x 10,2mm boyutlarında biyocam kafes prototipi üretildi. Üretilen prototip kafes gerçek ortamda İnstron test cihazıyla ve sanal ortamda SEM ile değerlendirildi. Sonrasında ise iki yöntem karşılaştırıldı. Ardından üç adet lomber vertebra (L3-L4-L5) SEM ile modellendi. Bu model ile intakt omurga modeli, ve prototip kafesin işlenmesiyle elde edilen farklı geometrilerdeki biyocam kafesler sanal olarak değerlendirildi. Bu sanal değerlendirme sonrasında elde edilen verilerle, en uygun geometriye sahip kafes belirlendi ve üretimi yapıldı. Ardından üretilen bu kafeslere Dartec test cihazında basma testleri uygulandı. Aynı düzenek SEM ile de modellendi ve sanal olarak testler tekrarlandı ve sonuçlar karşılaştırıldı.BulgularPrototip (işlenmemiş) kafese instron test cihazında basma testi uygulandı. Elastik modülüs değeri 31,88 GPa ve maksimum kompresyon değeri 121,16 MPa olarak saptandı. Ardından SEM ile L3-L4-L5 omurga modeli geliştirildi. Bu model ile dört farklı kafes geometrisi 400 N aksiyel yüklenme ve 6 Nm moment uygulanarak fleksiyon, ekstansiyon, bending ve rotasyon hareketleri ile değerlendirildi ve en uygun kafes geometrisi saptandı. Ardından prototip kafes Challenger 2412 microcut tezgahında işlendi. Elde edilen üç adet kafese Dartec test cihazında basma testi uygulandı. Test sonucunda kafeslerin 4,3 kN, 3,9 kN ve 5,63 kN'luk yüklere dayanabildiği görüldü. Bu test SEM ile simüle edildi ve 5 kN'luk aksiyel yüklenme uygulandı. Gerçek test ve SEM testi sonuçlarının uyumlu olduğu görüldü.SonuçBu çalışmanın sonucunda tasarlanan biyocam kafesin yeterli biyomekanik güce sahip olduğu görüldü. Bu nedenle yeni geliştirilen biyocam kafesin, gelecekte interbody füzyon uygulamaları için ümit veren bir malzeme olduğu düşünülmektedir. Ancak, son ürünü elde edebilmek için, geliştirilen kafesin in vivo ortamdaki davranışının saptanabilmesi için değişik hayvan modellerinde denenmesine ihtiyaç vardır.Anahtar KelimelerDejeneratif lomber omurga hastalıkları, lomber interbody füzyon, interbody füzyon kafesi, biyocam, sonlu elemanlar modeli.

Abstract:
IntroductionThe aim of this study is to design o novel lumbar interbody cage made of bioglass in the treatment of degenerative lumbar vertebrae disease and optimize the geometry of this novel cage biomechanically with finite element method (FEM) and real biomechanical tests.Materials and MethodsA bioglass cage prototype made in dimensions 15,5mm x 15,5mm x 10,2mm. This cage was tested with the instron universal test machine and with FEM. Then the results are compared. After that L3-L4-L5 lumbar vertebrae are modelled by FEM. With this model intact vertebrae and the processed cages in different geometries are evaluated. By the FEM test data the appropriate cage design is determined and the cage is processed. Then these cages are tested with the Dartec test machine. The same tests are done with FEM and then the results are compared.ResultsUnprocessed cage is tested with the Instron testing machine. Elastic modulus value is 31,88 GPa and the maximum compression value is 121,16 MPa. Then L3-L4-L5 vertebraes are modeled with FEM. 400 N axial compression and 6 Nm moment force is applied. Under flexion, extension, bending and rotation movements the cages are evaluated and the appropriate geometry is determined. After that three unprocessed cage is processed with Challenger 2412 microcut machine. These cages are tested with Dartec testing machine. The cages are broken at 4,3 kN, 3,9 kN and 5,63 kN loadings. This test is simulated with FEM and 5 kN axial load is applied. The real and FEM test results are harmonious.ConclusionsBy the results of this study we have observed that the bioglass cage is found as a biomechanically compatible implant. Finally, we think that this novel cage is a promising material for the interbody fusion applications in the future. But in order to get the biocompatibility and in vivo behavior of the material, we need to test the novel cage in different animal models.Key WordsDegenerative lumbar spinal disease, lumbar interbody fusion, interbody fusion cages, bioglass, finite element method.