Kalça protezleri için aşınma test cihazı tasarımı
Design of wear tester for hip prostheses
Yazar: DERYA KARAMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN BAHÇE
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Total kalça artroplastisi, kalça ekleminin dejeneratif bozukluklarında eklem fonksiyonunu düzeltmek için kullanılan cerrahi bir işlemdir. Kalça protezlerinde, klinik başarılar ve gelişen teknoloji ile birlikte kalça protezlerinin ömürleri 15 ile 20 yıl arasında değişmektedir. Gittikçe artan ortalama yaşam süresine bağlı olarak total kalça protezlerinin daha fazla kullanım süreleri talep edilmektedir. Bu talepler doğrultusunda 30 ile 40 yılları boyunca kullanılabilecek kalça protezlerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Kalça protezlerinin kullanım ömürleri protez malzemeleri ve tasarımı ile hastanın kişisel özelliklerine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Kullanım ömürlerinin artışı ve protez gelişimi için bu etkenler dikkate alınarak yapılan çalışmaların somut modelleri hastaya ulaşma aşamasında klinik öncesi testlere tabi tutulmaktadır. Klinik öncesi testler için hayvan denekleri yerine dünyada kullanımları gittikçe artan kalça simülatörleri kullanılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı imalatı yapılan ve kullanılan kalça protezlerinin aşınma-ömür ilişkilerinin tespit edilmesi amacıyla günlük yaşamı dikkate alarak standartlara uygun kalça simülatörünün tasarlanması ve imalatının gerçekleştirilmesidir. Dört serbestlik derecesine sahip olacak şekilde tasarlanan test cihazında kalça eklem benzetiminde kas ve bağ etkisini sağlanması amacıyla yay sistemleri kullanıldı. Talaşlı imalat tezgâhları ile tasarlanan parçaların üretiminden sonra montajlama işlemi yapılarak üç adet motor birbiri ile uyumlu şekilde hareket etmesi için programlandı. İlk testler 250.000 çevrimde bir aşınma değerlerine bakılacak şekilde bir milyon çevrimde gerçekleştirildi. Elde edilen veriler ile ISO 14242 standardındaki değerler karşılaştırıldığında %1,18'lik bir sapma görüldü. Bunun nedeni araştırıldığında motor performans özelliklerindeki verim kaybı olarak tespit edildi. Ayrıca test edilen numunelerin mikroskop görüntülerinde ve kütle kaybı değerlerine bakıldığında çevrim sayısının artması ile aşınma oranında ve yüzey kusurlarında artış meydana geldiği tespit edildi.

Abstract:
Total hip arthroplasty is a surgical procedure used to correct joint function in degenerative disorders of the hip joint. In the hip prostheses, clinical successes and developing technology together with the life of hip prostheses vary between 15 and 20 years. Depending on the increasing average life expectancy, total hip prostheses require longer usage times. According to these demands, hip prostheses which can be used during 30 to 40 years are needed.
The life expectancy of hip prosthesis varies depending on the patient's personal characteristics with prosthetic materials and design. The concrete models of the studies, taking into account these factors for the increase in life span and the development of prosthesis, are subjected to pre-clinical testing at the stage of reaching the patient.  For pre-clinical testing, hip simulators are used instead of animal subjects.
The aim of this study is to design and manufacture the hip simulator according to the standards in order to determine the wear-life relationships of the manufactured and used hip prostheses. In the test device designed to have four degrees of freedom, spring systems were used to provide muscle and ligament effect in the hip joint simulation. After the production of parts designed with machining lathes, the assembly process was performed and three engines were programmed to move in harmony with each other. The first tests were carried out in one million cycles with a view to a wear value of 250,000 cycles. When the values obtained in the ISO 14242 standard were compared, a deviation of 1.18% was observed. The reason for this was the loss of efficiency in the engine performance characteristics. In addition, in the microscope images and mass loss values of the samples tested, the number of cycles increased and the wear rate and surface defects increased.