Üç boyutlu yazıcılar kullanılarak kişiye özel sternokostal eklem implantı tasarımı ve üretimi
Custom made sternocostal implant design and manufacturing by using 3D printing technology
Yazar: ALEV KURUMLU BAŞ
Danışman: PROF. DR. OSMAN EROĞUL
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology
Dizin: Protezler ve implantlar = Prostheses and implants ; Sinterleme = Sintering ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Üç boyutlu yazıcı = Three dimensional printer

Özet:
Sternokostal eklemler, toraks bölgesinde ilk yedi kaburga ile sternum arasında yer alan eklemlerdir. Göğüs duvarında meydana gelen tümörler, enfeksiyonlar ve travmaların tedavisi sternumun ve ona bağlı sternokostal eklemlerin cerrahi olarak çıkartılması ile sonuçlanabilmektedir. Hastanın yaşamsal fonksiyonlarının devam etmesini sağlamak için çıkarılan hasarlı bölgenin yerine geçebilecek kişinin dokusu ile uyumlu malzemeden üretilmiş sternokostal implantlar kullanılabilmektedir. Pazardaki standart implantların yanı sıra kişiye özel tasarlanan implantlar ameliyatların risklerini azaltmanın yanı sıra cerrahların işini de kolaylaştırmaktadır. Bilgisayar ortamında tasarlanan kişiye özel bu implantlar eklemeli/katmanlı üretim (Additive Manufacturing) olarak kabul edilen 3 boyutlu yazıcı teknolojileri sayesinde somut hale dönüştürülebilmektedir. Bu çalışmada 3 boyutlu üretim teknolojilerinden toz esaslı eklemeli imalat yöntemi olan SLS (Seçici Lazer Sinterleme) ile kişiye özel sternokostal eklem implantının tasarım ve üretim aşamaları incelenmiştir. METÜM (Medikal Tasarım ve Üretim Merkezi, Sağlık Bilimleri Üniversitesi Gülhane Yerleşkesi, Ankara) tarafından oluşturulan ve hastaya implantasyonu gerçekleştirilen Ti-6Al-4v malzemeden üretilmiş bir sternokostal implantın analiz programında sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Hastaya ait tomografi görüntüleri alınarak 3 boyutlu modelleme programında göğüs kafesi modeli oluşturulmuş ve dijital ortamda hazırlanan implant modeli ile birlikte analiz programında statik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizde belirli sınırlı şartları oluşturulmuş ve tüm modellerde aynı sınır şartlarında implant üzerindeki stres, gerinim ve yer değiştirme  (deformasyon) değerleri incelenmiştir.  Elde edilen sonuçlara göre göğüs kafesine entegre edilmiş implant modeline bir CPR kuvveti uygulandığında implantın bu kuvvete dayanabildiği, stres sonuçlarının titanyumun akma dayanımının altında kaldığı dolayısıyla implantta kalıcı şekil değişikliğine sebep olmadığı görülmüştür. Ülkemizde ve dünyada günümüze kadar tasarlanmış olan bazı sternokostal implantlar çalışma dahilinde incelenmiş, yapılan araştırmalar sonucunda analizi yapılan sternokostal implant üzerinde tasarımsal farklılıklar ve iyileştirmeler yapılmıştır. Bu tasarımsal farklılıklar dahilinde implant üç parçaya ayrılmış ve parçalar vidalarla birleştirilmiş, analiz programında aynı sınır şartları uygulanarak, sonuçlar değerlendirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre vida bulunan deliklerin etrafında stresin yoğunlaştığı görülmüş ve tasarımlardaki vida sayısı artırılarak analiz sonuçları karşılaştırılmış ve sonuçlar yorumlanmıştır. Yapılan çalışmanın bundan sonra tasarlanacak olan sternokostal implant çalışmalarına yol göstermesi amaçlanmaktadır.

Abstract:
The sternocostal joints are the joints located in the thoracic region between the first seven ribs and the sternum. Some of the tumors, infections, and traumas occurring in the chest wall result in reconstruction of the sternum and its associated sternocostal joints. In order to enhance the patient's quality of life, sternocostal implants made of anatomical and material compatible with the tissue of the person to be used to replace the removed damaged area. Unlike the standard implants in the market, the production of implants specific to the person's condition not only reduces the risks of the surgeries but also facilitates the job of the surgeons. These implants, which are designed in computer aided technoloiges, can be turned into tangible 3-D models thanks to 3-D printer technologies, which are accepted as additive manufacturing. In this study, the production and design stages of a custom sternocostal joint implant with SLS (Selective Laser Sintering), which is a powder-based additive manufacturing method of 3-D manufacturing technologies, was examined and a new implant design was proposed. In the analysis program of a sternocostal implant made of Ti-6Al-4V material created by MDMC (Medical Design and Manufacturing Center, University of Health Sciences, Gülhane, Ankara) and implanted to the patient, finite element analysis was performed and the loads and stress values on the implant were measured. In the analysis, specific bounded conditions were created and stress, strain and deformation values on the implant were examined under the same boundary conditions in all models. According to the results, it was observed that when a CPR force is applied to the implant model integrated into the rib cage, the implant can withstand this force, and the stress results remain below the yield strength of titanium, so it does not cause permanent deformation of the implant. Some sternocostal implants designed to date in the world and in our country have been examined within the scope of the study, design differences and improvements have been made on the analyzed sternocostal implant as a result of the researches, and their analyzes have been carried out. Within these design differences, the implant was divided into three parts and the parts were combined with screws, and the results were evaluated by applying the same boundary conditions in the analysis program. According to the results of the analysis, it was observed that the stress was concentrated around the holes with the screws and the number of screws in the designs was increased, the analysis results were compared and the results were interpreted. The study is aimed to guide the sternocostal implant studies that will be designed from now on.