Özel geometriyle pürüzlendirilmiş ve hafifletilmiş kalça implantının tasarımı ve lazer sinterleme yöntemi ile imalatı
The design of roughened and lightened hip implant with special geometry and manufacturing by laser sintering method
Yazar: YUNUS EMRE DELİKANLI
Danışman: PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Uyluk ve leğen kemiklerini birleştiren kalça eklemi; büyük kas grupları ile desteklenen, bacakların öne – arkaya, içe – dışa ve dairesel hareket etmesini sağlayan, insan vücudundaki en büyük eklemdir. Yaşa bağlı kemik hastalıkları, doğuştan gelen hastalıklar, kanser ya da çeşitli travmalara bağlı sebeplerle, kalça eklemi işlevini yitirmektedir. Yapay eklem oluşturarak hasarlı bölgeyi yeniden işlevsel hale getirmek ya da tedavi etmek amacıyla, kemik içerisine implant yerleştirilmektedir. İmplantın görevini yerine getirebilmesi için; yerleştirildiği bölgedeki yüklere karşı yeterince dayanımlı ve malzemesinin de biyouyumlu olması gerekmektedir. Ti6Al4V alaşımı; kalça implantlarında sıklıkla kullanılan, hafif, biyouyumlu ve dayanımı yüksek bir malzemedir.

İmplantlar farklı imalat yöntemleri ile imal edilmektedir. Günümüzde, alışılmamış imalat yöntemlerinden biri olan eklemeli imalat tekniği kullanılarak, geleneksel imalat yöntemleri ile imal edilemeyecek kadar karmaşık geometriye sahip parçaların imalatı yapılabilmektedir. Seçici Lazer Sinterleme (SLS) yöntemi, impantların imalatında kullanılan eklemeli imalat yöntemlerinden biridir.

Bu çalışmada; dış bölgesi, mikro düzeyde yarı küresel gözenekler ve hücre gelişim kanalları ile pürüzlendirilmiş; iç bölgesinde ise, hücre gelişim kanallarıyla dış bölgeye bağlı olan ve hücre gelişimini sağlayacak nitelikteki gözenek formu ile hafifletilmiş bir yapı tasarlanmıştır. Bu yapı ile, kemik- implant temas bölgesinde güçlü ve uzun ömürlü doku bağı oluşması amaçlanmıştır.

Tasarımın iç bölgesinde kullanılacak en uygun gözenek formunu belirlemek amacıyla, farklı gözenek formuna sahip çekme numuneleri SLS yöntemiyle imal edilmiş ve numunelere çekme testi uygulanmıştır. Test sonuçları doğrultusunda gözenek formlarının dayanım değerleri ve elastisite modülleri belirlenmiştir. Uzman görüşü yöntemi ile numunelerin parametre ağırlık oranları karşılaştırılması yapılmış ve değerlendirme sonucuna göre en uygun gözenek formu belirlenmiştir. 

En uygun imalat parametresini belirlemek amacıyla; en uygun gözenek formunun kullanıldığı çekme, basma, çentik darbe ve sertlik numuneleri imal edilmiş ve mekanik testlere tabi tutulmuştur. Test bulguları doğrultusunda, dayanım ve darbe direnci yönünden kalça implantlarının imalatı için en uygun imalat parametresi belirlenmiştir.

Kalça implantı geometrisi, farklı üniversiteler ve hastanelerdeki cerrah ve öğretim üyelerine yapılan anket sonuçları doğrultusunda belirlenmiştir. Bilgisayar ortamında üç boyutlu (3B) modelini oluşturabilmek amacıyla, imalatçı bir firmadan geleneksel yöntemlerle imal edilmiş bir adet kalça implantı tedarik edilmiştir. Kalça implantlarının 3B modelleri oluşturulurken, iç bölgelerinde en uygun gözenek formu kullanılmıştır. Yüzeyleri, iki farklı ebatta hücre gelişim kanalları kullanılarak pürüzlendirilmiştir. SLS cihazında en uygun imalat parametreleri kullanılarak; 3 adet tam dolu, 3 adet küçük gözenekli ve 3 adet büyük gözenekli olmak üzere, toplam 9 adet kalça implantı imal edilmiştir.

Kalça implantlarına, ISO 7206-4/2010 standardına göre yorulma testleri uygulanmıştır. Yorulma testi koşulları Ansys® yazılımında oluşturularak, implantların sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Analiz sonuçları ile gerçek yorulma testi bulguları; birbirleriyle, geleneksel yöntemle imal edilen kalça implantıyla ve literatür çalışmalarıyla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Hip joint, combining thigh and pelvic bones; it is the largest joint in the human body, supported by large muscle groups, allowing the legs to move forward - backward, inwardly and outwardly as circular.  The hip joint function is lost because of age-related bone diseases, congenital diseases, cancer or various trauma-related conditions. An implant is placed in the bone to repair or re-functionalize the damaged area by creating artificial joints. In order for the implant to fulfill its mission; it must be sufficiently strong against the loads in the area where it is placed and its material must be biocompatible. The Ti6Al4V alloy is a lightweight, biocompatible and high-strength material that is often used in hip implants.

Implants are manufactured with different manufacturing methods. Nowadays, by using the additive manufacturing technique which is one of the unusual manufacturing methods, it is possible to manufacture parts with complicated geometries that can not be manufactured by conventional manufacturing methods. Selective Laser Sintering (SLS) is one of the additive manufacturing methods used for the manufacture of implants. 

In this study, the outer zone was roughened by micro-level semi-spherical pores and cell growth channels; in the inner region, a structure that is connected to the outer region with cell growth channels and is lightened by the pore form in quality to provide cell growth is designed. With this structure, it is aimed to form strong and long-lasting tissue bond in the bone-implant contact area.

In order to determine the most suitable pore form to be used in the inner region of the design, tensile samples with different pore forms were manufactured by the SLS method and tensile tests were applied to the samples.  According to the test results, strength values and elasticity modulus of pore forms were determined. The parameter weight ratios of the samples were compared by using the expert opinion method and the most appropriate pore form was determined according to the evaluation result. 

In order to determine the most suitable manufacturing parameters; tensile, compressive, notch impact and hardness samples were produced and subjected to mechanical tests using the most appropriate pore form. The most suitable manufacturing parameters for the manufacture of hip implants have been determined in the direction of the test findings, in terms of strength and impact resistance.

Hip implant geometry was determined according to the results of surveys conducted on surgeons and faculty members in different universities and hospitals. In order to be able to create a three-dimensional (3D) model in a computer environment, a hip implant which was manufactured by a conventional manufacturing company has been supplied. While the 3D models of the hip implants were constructing, the most appropriate pore form was used in the internal regions. Surfaces were roughened using cell growth canals in two different sizes. By using the most suitable manufacturing parameters in the SLS device; a total of 9 hip implants, 3 of which are full, 3 of which are small-pore and 3 of which are large-pore, are manufactured. 

Fatigue tests were applied to hip implants according to ISO 7206-4/2010 standards. The fatigue test conditions were created in Ansys® software and finite element analysis of the implants has been made.  The results of the analysis and the actual fatigue test findings were compared with each other, with the hip implant manufactured by the conventional method and with the literature studies.