İskele yapılı omurga kemikleri birleştiren kafes implant tasarımı ve sonlu elemanlarla analizi
Scaffold-based fusion cage for spinal implant; design and finite element analysis
Yazar: SEHER BİÇER
Danışman: DOÇ. DR. DAVER ALİ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Füzyon = Fusion ; Ortopedik implantlar = Orthopedic implants ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; İskeleler = Piers

Özet:
Ortopedide dejenere olmuş omurlar arası diskin tedavisinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Dejenere olmuş disk yerine kafes implant kullanarak iki omuru birleştirip tek parça haline getirmek bu yöntemlerin en yaygın olanıdır. Kullanılan implantın başarılı olması birçok parametreye bağlıdır. Uygulanan implant öncelikle omurların birbirine göre hareketini minimum kılmalıdır ve aynı zamanda biyomekanik yüklere karşı oldukça dayanıklı olmalıdır. Bu iki önemli kriter büyük oranda implantın geometrisi ve malzemesine bağlıdır. Bu çalışmada, biri geleneksel olarak tanımlanan elips kafes ve oktet, oktahedron ve schwarz olarak tanımlanan gözenekli iskele yapılar kullanılarak dört farklı füzyon implantı tasarlanmıştır. Her implant Ti-6Al-4V, Magnezyum ve PEEK olarak üç farklı malzemeden oluşturulmuş ve toplam 12 implant model elde edilmiştir. Bu implantlar dördüncü ve üçüncü lomberlerin arasına yerleştirilerek iki lomberi birleştirmiştir. Çalışmanın devamında elde edilen modellerin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak çeşitli biyomekanik yükler altında meydana gelen gerilme ve deformasyon değerleri analiz edilmiştir.  
Biyomekanik yükler nötr (sadece basınç), fleksiyon, lateral fleksiyon, fleksiyon-lateral fleksiyon, ekstansiyon, rotasyon olarak altı farklı durumda uygulanmıştır. Sonuçlar hem maksimum gerilme hem de maksimum deformasyonun fleksiyon-lateral fleksiyon hareketi için meydana geldiğini göstermiştir. İmplantların başarılı olup olmadıkları malzemelerin akma mukavemetini dikkate alarak değerlendirilmiştir. Sonuçlara göre sadece Ti-6Al-4V'dan oluşan implantlar tüm yükleme senaryolarında akma mukavemetinin altında bir gerilme sergilemiştir ve diğer iki malzemeden oluşan modeller başarısız olmuştur. Ancak, implant geometrisi açısından bakıldığında Ti-6Al-4V'dan oluşmasına rağmen oktet yapıya sahip implantın malzemenin akma mukavemetinin üzerinde bir gerilme sergileyerek başarısız olduğu gözlenmiştir. Diğer iki iskele tabanlı implant yani schwarz ve oktahedron modellerinin elips model kadar dayanaklı bir yapıya sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Schwarz ve oktahedron modellerin gözenekli yapılarıyla biyouyumluluk açısından elips modele göre daha avantajlı olduğundan dolayı bu tür ortopedik uygulamalarda kullanıma uygun olduğu görülmüştür. Dolayısıyla, bu çalışmanın sonuçları yeni füzyon implantların tasarımına ve malzeme seçimine ışık tutmaktadır.

Abstract:
Different methods are used in the treatment of degenerated intervertebral discs in orthopedics. The most common method is the fusion of two vertebrae using a cage implant. The success of such an implant depends on many parameters. The designed implant should minimize the relative movement of the vertebrae and, at the same time, must be highly resistant to biomechanical loads. These two important criteria are highly dependent on the geometry and material of the implant. In this study, four fusion cages were designed using a conventional ellipse lattice and three porous scaffold structures defined as octet, octahedron, and schwarz. Considering that each implant consists of three different materials as, Ti-6Al-4V, Magnesium, and PEEK, a total of 12 implant models were obtained. These implants were placed between the fourth and third lumbar and united two lumbers. Then, the obtained models were analyzed by applying various biomechanical loads using finite elements, and the deformation and the resulting stresses were analyzed. Biomechanical loads were applied for six different situations: neutral (pressure only), flexion, lateral flexion,  
flexion-lateral-flexion, extension, and rotation. The results showed that both maximum stress and maximum deformation occurred for the flexion-lateral-flexion loading. Then, considering the implant material's yield strength, the implants' success was investigated. To the results, only implants composed of Ti-6Al-4V still exhibited stress below yield strength in all loading scenarios, and models consisting of two other materials failed. In terms of implant geometry, the implant with the octet structure failed despite being composed of Ti-6Al-4V. However, the other two scaffold-based implants, namely schwarz and octahedron models, were durable as the ellipse model. Since they are more advantageous than the ellipse model in terms of biocompatibility with their porous structures, they are suitable for this orthopedic application. Finally, the results of this study shed light on the design and material selection of new fusion implants.