Geometrik parametreler ve malzeme seçiminin total diz implantının stresi ve deformasyonu üzerindeki etkisininsonlu elemanlar analizi
Finite elements analysis of the effect of geometric parameters and material selection on stress and deformation of total knee implant
Yazar: YUSUF ALİ AKAR
Danışman: DOÇ. DR. DAVER ALİ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Aşırı diz ağrısı problemi yaşayan hastalar; artık yürüme, eğilme, merdiven çıkma 
gibi günlük aktivitelerinde aşırı güçlük yaşıyor ise, hastanın hayat konforunu 
arttırabilmek için toplam diz implantı cerrahi yöntemi uygulanır. Bahse konu 
implantın başarısı birçok değişkene bağlıdır. Tabi ki hastaya uygulanacak olan bu 
değişim hastanın kemik yapısına uygun seçilmeli, implantın vücut içerisinde maruz 
kalacağı biyomekanik yüklere karşı dayanım ve gerilimi dikkate alınmalıdır. Ayrıca 
insan vücudu içerisinde kalacak olan bu ve benzeri implantlarda göz önünde 
bulundurulması gereken bir başka değişken olarak implantın malzemesidir. İmplant 
malzemesi seçilirken biyouyumlu olmasına özen gösterilmelidir. İmplantın 
dayanıklılığı modellenmesi ve malzemesinin iyi seçimine bağlıdır. Bu çalışmada 
modellenen total diz implantın femur (uyluk kemiği) ve tibia kemiğine (kaval 
kemiği) monte edilecek parçalar Ti-6A1-4V ve paslanmaz çelik olmak üzere iki
v
farklı malzemeden, spacer ise analizlerde UHMWPE malzemesinin üç farklı Young
modülü (0.3 GPa, 0.6 GPa ve 0.9 GPa) ile denenmiştir. Geometrik parametre olarak 
femur ve tibia kemiğine monte edilecek parçaların eğrileri üç farklı yarıçapla 
tasarlanmıştır. Böylelikle çalışmada toplamda 18 implant modeli elde edilmiştir. 
Daha sonra modellenmiş implantların aynı kuvvet için farklı açılarda gerilme ve 
deformasyonları sonlu elemanlar kullanarak analiz edilmiştir. Çalışma sonuçları 
maksimum gerilme ve maksimum deformasyonun fleksiyon hareketinde ortaya 
çıktığını göstermektedir. Başarılı implant olup olmadıklarını anlamak için 
malzemelerin akma mukavemetlerinin değerlendirilmesiyle anlaşılmıştır. Sonuçlar 
göre, femur eklemi ve tibia eklemi için Ti-6A1-4V'den oluşan implantalar maruz 
kaldığı tüm yüklere akma mukavemetinin aşağısında gerilme göstermiştir. İç 
menisküs ve dış menisküs görevlerini görmesi beklenen spacer (ara dolgu) parçası 
UHMWPE 0.9 GPa elastisite modülüne sahip malzemesinde daha başarılı olmuştur. 
Diğer iki malzemeden oluşan spacer implantı akma mukavemeti 
değerlendirilmesinde başarılı olmuş fakat daha fazla gerilim göstermiştir. İmplant 
geometrisi değerlendirilmesi yapıldığında Ti-6A1-4V malzemesinden oluşan femur 
ve tibia implantının R-250 modelinin oluşan gerilmelerin akma mukavemeti 
aşağısında diğer modellere nazaran daha düşük olduğu görülmüş ve başarılı model 
olarak kabul edilmiştir. Modellenen R-250, R-225, R-200 implantların akma 
mukavemeti altında gerilmeler gösterdiğini en başarılı sonucun R-250 modelinde 
olduğu anlaşılmış ve cerrahi operasyonlarda kullanıma uygun olduğu görülmüştür. 
Dolayısıyla, bu çalışmanın sonuçları toplam diz implantlarının tasarımına ve 
malzeme seçimine yönelik inceleme ve katkıda bulunmuştur.
Anahtar Sözcükler : Toplam Diz İmplantı, Femur, Ara Dolgu, Tibia, Diz Eklemleri,
Diz Protezi, Sonlu Elemanlar Yöntemi
Bilim Kodu : 92504

Abstract:
Patients with severe knee pain problem; If the patient is now experiencing excessive 
difficulty in Daily activities such as walking, bending, climbing stairs, total knee 
implant surgery is applied to increase the patient's life comfort. The success of the 
implant in question depends on many variables. Of course, this change to be applied 
to the patient should be selected in accordance with the patient's bone structure, the 
resistance and tension of the implant against the biomechanical loads that it will be 
exposed to in the body should be taken into account. In addition, another variable to 
be considered in this and similar implants that will remain in the human body is the 
material of the implant. When choosing the implant material, care should be taken to 
ensure that it is biocompatible. The durability of the implant depends on the good 
choice of modeling and material. The parts of the total knee implant modeled in this 
study to be mounted on the femur (thigh bone) and tibia bone were selected from two 
different materials, Ti-6Al-4V and stainless steel, and the spacer. Three different 
vii
Young's modulus (0.3 GPa, 0.6 GPa and 0.9 GPa) of UHMWPE material were tested 
in the analyses. As geometric parameters, the curves of the parts to be mounted on 
the femur and tibia were designed with three different radii. Thus, a total of 18 
implant models were obtained in the study. Then, the stress and deformations of the 
modeled implants at different angles for the same force were analyzed using finite 
elements. The results of the study show that the maximum stress and maximum 
deformation occur in the flexion movement. It was understood by evaluating the 
yield strengths of the materials to understand whether they were successful implants. 
According to the results, the implants consisting of Ti-6Al-4V fort he femur joint and 
tibia joint showed stress below the yield strength to all the loads it was exposed to. 
The spacer part, which is expected to serve as the inner meniscus and the outer 
meniscus, was more successful in the UHMWPE material with an elasticity modulus 
of 0.9 GPa. The a spacer implant consisting of the other two materials was successful 
in the evaluation of yield strength, but showed more tension. When the implant 
geometry was evaluated, the stresses of the R-250 model of the femur and tibia 
implant made of Ti-6Al-4V material were found to be lower than the other models, 
below the yield strength, and it was accepted as a successful model. It was 
understood that the modeled R-250, R-225, R-200 implants showed stresses under 
the yield strength, and the most successful result was the R-250 model and it was 
found that it was suitable for use in surgical operations. Therefore, the results of this 
study contributed to the review and contribution to the design and material selection 
of total knee implants.
Key Words : Total Knee Implant, Femur, Spacer, Tibia, Knee Joints, Knee 
Prosthesis, Finite Element Method
Science Code : 92504