طراحی و شبیه سازی ایمپلنت ساختار متخلخل به کمک کامپیوتر با استفاده از حداقل سطوح با تناوب سه ‌گانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک،دانشکده مکانیک،برق و کامپیوتر،دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات،تهران،ایران

2 دانشیار/دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات

3 استادیار، مهندسی پزشکی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات، تهران

چکیده

در این تحقیق مزایای ایمپلنت متخلخل نسبت به ایمپلنت رایج به منظور اعمال یک نوع تخلخل خاص مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از حداقل سطوح با تناوب سه گانه در طراحی ایمپلنت متخلخل به دلیل منحنی شکل بودن آن پتانسیل بالایی در طراحی سازه‌های متغیر هم از لحاظ مورفولوژی و هم از لحاظ تراکم نسبی با توجه به معادلات ساختاری ضمنی آن ایجاد می‌کند. معادلات حداقل سطوح تناوب سه گانه با استفاده پلاگین گرس هاپر حل می‌شود و در نهایت سطح یک سلول واحد برای طراحی ساختار متخلخل بدست می‌آید. یک ایمپلنت رایج دندان و دو ایمپلنت‌ متخلخل دندان با تخلخل54% و 65% درصد بر اساس استاندارد ITI از کاتالوگ شرکت استرومن الگوبرداری شده است. در بارگذاری استاتیکی و دینامیکی نیروها در سه جهت مختلف بر اساس مبانی بیومکانیک به ایمپلنت وارد شد. نتایج نشان داد که پس از کاشت ایمپلنت‌های دندانی مقدار بیشینه تنش در ایمپلنت‌های متخلخل نسبت به ایمپلنت رایج افزایش می‌یابد به طوری که از82/31 به 93/98 مگاپاسکال در ثانیه پنجم افزایش پیدا کرد. در ایمپلنت‌های متخلخل میزان توزیع تنش در استخوان اسفنجی نسبت به ایمپلنت رایج افزایش پیدا می‌کند. با متخلخل کردن ایمپلنت‌های دندانی می‌توان با پدیده سپر تنشی مقابله کرد. در این پدیده، ایمپلنت به علت داشتن استحکامی به مراتب بیشتر از استخوان، مانع از انتقال تنش به استخوان می‌شود که نتیجه آن ضعیف شدن استخوان در ناحیه کاشت ایمپلنت است. با اعمال تخلخل و با بکارگیری حداقل سطوح تناوب سه گانه در طراحی ایمپلنت، باعث توزیع تنش بیشتر در استخوان اسفنجی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Computer-aided Porous Structure Implant Design and Analysis using Triply periodic minimal surface

نویسندگان [English]

  • Mahdi Sarkari 1
  • Sadegh Rahmati 2
  • Mohammad Nikkhoo 3
1 Mechanical Engineering Department, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Associated Prof/Science and Research Branch, Islamic Azad University
3 Department of Medical Science and Technology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the advantages of porous implants compared to conventional implants in order to apply a specific type of porosity to the implant most were investigated. The use of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) in porous implant design due to its curvature has a high potential in designing variable structures both morphologically and in relative density with respect to its implicit structural equations. The equations of Triply periodic minimal surface are solved using the Grasshopper plugin, and finally the surface of a unit cell is obtained to design porous structure. One common dental implant and two porous dental implants with 54% and 65% porosity are modeled on Straumann's catalog according to ITI standard. In static and dynamic loading, forces were inserted into the implant in three different directions according to biomechanical principles. The results showed that after implantation of dental implants, the maximum amount of stress increased in the porous implants compared to the conventional implants so that it increased from 31.82 to 98.93 MPa in the fifth second. And in porous implants, stress distribution in the cancellous bone is increased compared to the conventional implant. Stress Shielding can be counteracted by porosity of dental implants. In this phenomenon, the implant, due to its much greater strength than the bone, prevents the transfer of stress to the bone, which results in weakening of the bone around the implant. By applying porosity and applying the TPMS to the implant. Stress distribution increase in the cancellous bone.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Triply Periodic Minimal Surface
  • Additive Manufacturing
  • Porous Implant
  • Finite Element Method