EFFECT OF SCAFFOLD ARCHITECTURE AND MATERIAL ON STRESS SHIELDING PHENOMENA IN CONTACT REGION WITH A MANDIBLE HOST BONE; A FINITE ELEMENT ANALYSIS

Abstract

ABSTRACT

All the scaffolds had a constant porosity of 80%. Also, three materials (Ti alloys, Mg, and PLA) were assigned for each model of scaffolds. Therefore, in this work, a total amount of twelve models was developed. Then, the models were investigated under biomechanical loads using finite element analysis. The von Mises stress in the scaffolds and contact surfaces with host bone was calculated to show the scaffold's performance under such loading. The analysis results showed that the pressure in the scaffold and its contact surface with the spongy bone are directly related to its stiffness. The highest stress was in the models with titanium and the lowest for the models with polymer material. There was no such relationship for stress at the contact surface of cortical bone with the scaffolds. Stress in these three areas showed significant fluctuation with the change of scaffold architecture. The maximum von Mises stress in the scaffold was calculated in the models with cubic body center architecture. For both bone contact surfaces, the maximum von Mises stress appeared in models with Rhombicuboctahedron. The results of this study shed more light on the correct choice of scaffolds for orthopedic applications.

ÖZET

Doku mühendisliği tarafından geliştirilen iskeleler kullanılarak hasarlı kemiğin onarımı ve doldurulması ortopedik cerrahide ileri bir tedavi yöntemidir. İskeleler, trabeküler kemik yapısını taklit eden gözenekli malzemelerdir. İskeleler mimari ve malzeme açısından çok çeşitlidir. Bu çeşitlilik bazen hasarlı kemiği tedavi etmek için uygun iskeleyi seçmeyi zor bir süreç haline getirmektedir. Kemiğin yapısı çeşitli bölgelerinde farklı olması nedeniyle konak kemiğin ihtiyaçlarına uygun iskele seçimi daha da karmaşık hale gelmektedir. Bu nedenle iskelelerin mimarileri ve seçilen malzemenin onların biyomekanik yükler altında davranışlarını doku mühendisleri tarafından incelenmektedir. Bu çalışmada, bir çene kemiğindeki oluşan boşluğu doldurmak için octet, octahedron, cubic body center, and Rhombicuboctahedron mimariye sahio dört farklı iskele tasarlandı. Tasarımlanan tüm iskeleler, %80'lik sabit gözenekliliğe sahiptirler. Ayrıca, her bir iskele modeli için üç farklı malzeme (Ti alaşımları, Mg ve PLA) seçilmiştir. Böylece, bu çalışmada toplam on iki model geliştirilmiştir. Daha sonra modeller, sonlu elemanlar analizi kullanılarak biyomekanik yükler altında incelenmiştir. İskelelerdeki ve konak kemikle temas yüzeylerindeki von Mises gerilmesi hesaplanmıştır. Analiz sonuçları, iskele ve süngerimsi kemiğin temas yüzeyinde meydana gelen gerilmenin iskele sertliği ile doğrudan ilişkili olduğunu göstermiştir. En yüksek gerilim titanium iskele modellerde, en düşük gerilim ise polimer malzemeli modellerde hesaplanmıştır. Kortikal kemiğin iskelelerle temas yüzeyindeki gerilme için böyle bir ilişki bulunmamıştır. Bu üç farklı bölgedeki gerilme, iskele mimarisinin değişmesiyle önemli dalgalanmalar göstermiştir. İskele mimari açısından maksimum von Mises gerilme kübik gövde merkezli mimarisine sahip modellerde hesaplanmıştır. Her iki kemik temas yüzeyi için maksimum von Mises gerilmesi, Rhombicuboctahedron'lu modellerde ortaya çıktı. Bu çalışmanın sonuçları, ortopedik uygulamalar için doğru iskele seçimine yönelik yenilikler katmıştır.