Total diz implantı kaval bileşenin latis gözenekli yapıda tasarımı ve analizi

İnsana hareket imkânı tanıyan vücudumuza ait yapılar, eklemlerdir. Vücudumuzun farklı bölgelerinde birçok eklem bulunmaktadır. Bunlardan birisi olan diz eklemi insan vücudunun tüm yükünü taşımaktadır. Bu yönü diz ekleminin hasara uğrama ihtimaline sebebiyet vermektedir. Yıpranmış eklemin görevini tekrardan yerine getirebilmesi için çözümler aranmış ve diz implantları keşfedilmiştir. Bunlardan birisi de total diz implantıdır. Üzerinde birçok çalışma yapılarak vücut yapımıza uygunluğu yani eklemin orijinalliğine yakın, hareket kısıtlamasını gidermeye yardımcı olması açısından implant teknolojisi kendini her daim yenilemektedir. Son yıllarda öne çıkan gelişmeler için implantların gözenekli yapıda olması ve üç boyutlu baskı ile üretilmesi söylenebilmektedir. Bu teknolojide, implantlar vücuda yerleştiğinde kemik ile temasta bulunduğundan kemiğe temas eden bölgeleri tıpkı kemik gibi gözenekli yapıda tasarlanmaktadır. İmplant tasarımının kemiğin gözenekli yapısına benzetilme amacından yola çıkılması, implantı vücudumuza yerleştirdiğimizde vücudumuzla uyum sağlamasını kolaylaştırmaktır. Burada biyouyumluluk kavramı kullanılmaktadır. Gözenekli yapının bir artısı da kullanıldığı modelin mekanik özelliklerini geliştirmesidir. Modele hafiflik ve dayanıklılık kazandırmaktadır. Biyomekanik açıdan en doğru gözenek tasarımını elde etmede latis yapıların özelliği dahil edilmiştir. Latis yapılar günümüzde implant teknolojisinde ve birçok alanda kullanılmaktadır. Farklı sektörlere olumlu katkılarının olmasıyla güncelliğini kaybetmemektedir. Bu durum farklı bakış açılarıyla durmaksızın gelişen bir çalışma alanını oluşturmaktadır. Birçok çeşit latis yapıların bulunması da çalışma çeşitliliğini artırmaktadır. Farklı latis yapıda implant tasarımları yapılmış ve halen yapılmaktadır. İmplant tasarımına latis yapıların dahil edilmesiyle implant sertliği kemiğe yakın olacak şekilde azaltmaktadır. Latis yapı tasarımlarında önemli noktalar; latis yapının hücre boyutu ve gözenekliliği (hacimsel boşluk) olmuştur. Hücre boyutunda azalma ve gözeneklilik artışı implantı istenilen mekanik özelliğe kavuşturmaktadır. Tasarımın en doğrusu olacak şekilde elde edilmesi için latis yapıda tasarlanan ve üretilen implant modeller biyomekanik testlere, analizlere tabi tutulmuş, sonuçları incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Güncelliğini koruyan çalışma alanına katkı sağlanması amacıyla bu tez çalışmasında total diz implantı ve latis yapılar üzerine çalışma gerçekleştirilmiştir. Total diz implantı üç bileşenden meydana gelmektedir. Bunlar kaval bileşen, uyluk bileşeni ve plastik ara parçadır. Sadece kaval bileşen ile çalışılmıştır. Kaval bileşen latis yapıda tasarlanmış ve biyomekanik yükler etki ettirilerek sonlu elemanlar metoduyla statik analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları biyomekanik yönden değerlendirilmiştir. İlk olarak kaval bileşen ve kaval kortikal kemik, bilgisayar destekli tasarım programlarından birisi olan SolıdWorks programında üç boyutlu tasarlanmıştır. Çalışmanın hedefi olan implantların latis yapıda tasarlanması göz önünde bulundurularak kaval bileşen latis yapı ile Creo Parametric programı vasıtasıyla tasarlanmıştır. Bileşenin sadece kaval kemik ile temas eden yüzeyleri latis yapıda tasarlanabilmektedir. Bu nedenle kaval bileşenin latis yapı ile doldurma işleminde tercih edilen kısım bileşen tablasının alt kısmı olmuştur. BCC, rhombic dodecahedron ve truncated octahedron olmak üzere üç farklı latis yapısı tercih edilmiştir. Sonuç olarak üç farklı latis yapıda kaval bileşen modeli elde edilmiştir. Bu modellerde kullanılan latis yapıların hücre boyutu 10 mm, strut çapı 2 mm olup, gözeneklilikleri %59 ila %67 arasında değişmektedir. Latis yapı ile doldurulmamış katı model olan kaval bileşen ve bu üç latis yapıda kaval bileşenin analizleri gerçekleştirmek için önce Hypermesh programına aktarılmıştır. Bu programda model geometri hatalarını giderme işlemi, mesh yapısının oluşturulması, malzeme ve sınır şartlarının tanımlaması yapılmış, analiz adımına geçilmeden önce buna yönelik hazırlanmış modeller elde edilmiştir. Bu kaval bileşen modeller Abaqus/CAE programına aktarılarak sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlandığında maksimum von mises gerilme, logaritmik gerinim ve yer değiştirme bilgilerine ulaşılmıştır. En düşük değerde von mises gerilme değerini göstermiş model olan rhombic dodecahedron latis yapılı kaval bileşen olduğu belirlenmiştir. Bu latis yapı kullanılarak farklı gözeneklilik değerlerinde kaval bileşen analiz sonuçları gözlemlenmek istenmiştir. %60 gözenekliliğe sahip rhombic dodecahedron latis yapılı kaval bileşen modelinin analizi mevcuttur. Gözeneklilikleri yüzde olarak 48 ve 80 olan yeni iki model tasarlanmış ve aynı adımlar kullanılarak analizi gerçekleştirilmiştir. Gözenekliliğin artışı ile maksimum von mises gerilme, logaritmik gerinim ve yer değiştirme değerlerinde artış göstermiştir. Literatürde %50-90 arası gözeneklilik kemik gözenekliliği değer aralığını ifade etmektedir. %70 üzeri gözenekliliğe sahip latis yapının, kortikal kemik elastik modülü değer aralığında olduğu da belirtilmiştir. %80 gözeneklilik ise latis yapılı model için istenilen mekanik özelliği sunmaktadır. Bu bilgiye destekle %80 gözenekliliğe sahip latis yapılı kaval bileşenin, üç boyutlu tasarımı yapılan kaval kortikal kemikle montajı gerçekleştirilmiştir. İmplantların cerrahi işlem ile vücudumuza yerleştirilmesinin simülasyonu analiz programları ile yapılabilmektedir. Diz implantlarından beklenilenler; kabul gören mekanik özellikleri göstermesi, dizde oluşabilecek komplikasyonları gidermesi, yaşanılan ağrıyı azaltması, insanın günlük aktivitelerinde kısıtlılığa sebep olmayarak diz işlevselliğini artırması ve insanın yaşam kalitesini yükseltmesidir. Bu beklentiler analiz sonuçlarına göre yorumlanabilmektedir. Çalışma kapsamında oluşturulan latis gözenekli yapıda total diz implantı kaval bileşenin insan vücudunda kullanıma mekanik bakımdan uygunluğunun değerlendirilmesi için kaval kortikal kemik ile bileşen arasında general contact tanımlaması yapılarak sürtünme simüle edilmiştir. Elde edilen bu yeni modele analizden önce, diğer modellere uygulanan adımlar uygulanarak analizi yapılmıştır. Analizde yer alan bazı parametrelerde farklı değerlere yer verilerek değişen parametrelere göre analiz sonuçları yorumlanmak istenmiştir. Bu bağlamda kemik-implant arasında tanımlanan sürtünme kuvvet değeri, kaval bileşen üst yüzeyine uygulanan kuvvet değeri ve malzeme türü parametrelerinde farklı değerlere yer verilmiştir. Üç farklı sürtünme kuvveti, dört farklı kuvvet ve üç çeşit malzeme için analizler yapılmıştır. Her parametrenin değişimini incelemek için diğer iki parametre sabit tutulmuştur. Örneğin; sürtünme kuvveti değişiminin maksimum von mises gerilme, logaritmik gerinim ve yer değiştirme değerlerindeki etkisinin incelenebilmesi için kaval bileşen yüzeyine uygulanacak kuvvet ve malzeme bilgisi sabit kalacaktır. Böylece toplamda sekiz farklı analizin verileri elde edilmiş olup, bu veriler yorumlanmıştır. Çalışmadan elde edilmiş olan bilgilere göre, kuvvet değeri arttıkça gerilme, gerinim ve yer değiştirmeni her biri artmıştır. Diz implantının insan ağırlığının üç katı kadar biyomekanik yüke dayanabilmesi beklenmektedir. İmplantın uygulanan bu üç kuvvet değerine karşı son derece sağlam olduğu görülmüştür. Bu değer altında uygulanan kuvvetin gerinim sonucuna bakıldığında ise olması gereken aralıkta bir değer göstermediği belirlenmiştir. Gerilim kalkanı nedeniyle kemik atforbisine neden olacağı söylenebilmektedir. Sürtünme katsayısı olarak belirlenmiş değerler ile analiz gerçekleştirilmiş ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Gerilme değeri düştükçe ve sürtünme katsayısı arttıkça kemik ve implantın temas yüzeyinde mikro hareketlilik azalmaktadır. Üç sürtünme katsayısında da gerinim değerleri belirtilen aralıkta olup kemik kırığına sebep olmayacak değerde olduğu elde edilmiştir. Malzeme olarak Ti6Al4V, CoCrMo ve paslanmaz çelik malzeme bilgileri tanımlandığında oluşmuş olan sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yer değiştirme değeri için en yüksek sonucu Ti6Al4V malzeme göstermiştir. Diğer malzemelere oranla daha kolay deforme olacağı ifade edilmektedir. Üç sürtünme katsayısı değerinde de gerinim değerleri belirtilen aralıkta olup kemik kırığına sebep olmayacak düzeydedir. Sonuç olarak, latis gözenekli yapıda tasarlanmış kaval bileşen modellerinin tamamı malzeme özelliğinin kazandırdığı sınırı aşmamıştır. Buna malzemelerin akma mukavemeti değerleri incelenmesi sonucu karar verilmektedir. Bu çalışmada kullanılan latis yapılar kaval bileşeni hafifletmiştir. Bu hafifliğin yanı sıra implantın biyouyumluluğunu artıcı mekanik özellik katkısı görmezden gelinemez. Bu katkı, implantın kaval kemik ile teması halinde latis yapısının meydana getirdiği hacimsel boşlukların kemiğin içe doğru büyümesine olanak sağlamasıdır. Kemik erimesi de azaltmaktadır. Özetle, gözeneklilik arttıkça kaval bileşen hacmi azalmış olup kemik büyümesini desteklemektedir.