Yapay kemik olarak gözenekli iskelelerin yüzey pürüzlülüğünün kan akışı özelliklerine etkisi

Günümüzde kazalar veya kanser gibi ciddi hastalıklardan dolayı çok sayıda insanın vücudunda kemik kayıpları meydan gelmektedir. Bu kayıpları gidermek için genelde dört kaynak bulunmaktadır. Bunlar, hastanın kendi vücudunun bir başka bölgesinden alınan kemik (otogreft), bağışta bulunan kişiden alınmış kemik (allogreft), hayvanlardan alınan kemik dokusu (xenograft) veya yapay kemik (greft) olarak sıralanabilir. Yapay kemikler genellikle kemiğin yapısını taklit etmek amacıyla iskele (scaffold) olarak adlandırılan gözenekli yapılardan oluşmaktadır. Yapay kemik iskeleler hem yük altında mekanik davranışlar ve hem de biyolojik davranış olarak onların gözeneklerinde akışkan (kan) dolaşım dinamiği gibi farklı açılardan incelenmektedir. İskeleler mekanik davranışlar açısından yük altında şekil değiştirme ve akma dayanımı gibi parametreler üzerinde çalışılırken, biyolojik açıdan iskelelerin içinde hücresel faaliyetlerini belirleyen akışkan geçirgenlikleri ve içlerinden akan akışkanın cidarları üzerinde meydana getirdiği cidar kayma gerilmeleri (CKG) üzerinde araştırılmalar yapılmaktadır. Bu çalışma iskelelerin karekterizasyon için belirtilen hususları dikkate alınarak iki kısımdan oluşturulmuştur. Birinci kısımda iskelelerin bu özeliklerini etkileyen gözeneklik oranı ve iskele mimarisi faktörleri sonlu elemanlar yöntemiyle (SEY) araştırılmıştır. Bu doğrultuda kafes yapılı (Kay), ince yüzeylerden oluşan kare gözenekli (Kag) ve Gyroid (Gyr) olmak üzere toplam üç çeşit iskele mimarisi ve her mimarı için altı gözeneklik seviyesi (%65, 70, 75, 80, 85 ve 90) seçilmiştir. Statik yük altında iskele deformasyonu yapısal sonlu elemanlar yaklaşımıyla, von-Mises kriterine göre akma dayanımı elde edilmiştir. Bu modellerle yapılan hesaplama sonuçları üç iskele tipinde de gözeneklilik değerleri daha yüksek olan modellerin mekanik özellikleri daha düşük bulunmuştur. Ancak, kafes yapılı iskele, diğer iki iskeleye göre daha yüksek elastisite modülü ve akma dayanımı göstermiştir. Basınç düşüşü, hız analizleri ve iskele içerisindeki akışkan akışıyla meydana gelen cidar kayma gerilmesi hesaplamalı akışkanlar dinamiği ( HAD veya CFD) analizi ile incelenmiştir. Geometrik parametreler ve akışkan dinamikleri analizinden elde edilen basınç düşüşü göz önüne alınarak, iskelelerin geçirgenliği Darcy yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Her üç iskele mimarisinde artan gözeneklikle geçirgenlikte yükseliş ve CKG'de azalma izlenmiştir. Aynı gözeneklilikteki modeller arasında kafes yapılı modeller, diğer modellere göre daha yüksek geçirgenlik ve daha düşük CKG sergilemiştir. Elastiklik modülü ve geçirgenlik sonuçlarına göre, süngerimsi kemik özelliklerine yakın özellikler gösteren modeller tespit edilmiştir. İskelelerde CKG'lerin homojen dağılıma sahip olmaları önemli olduğu göz önüne alarak bu modeller arasında en homojen CKG dağılımı gösteren model çalışmanın önerilmiş modeli olarak sunulmuştur. CFD analizleri hem su ve hem de kan özellikli akışkanlarla gerçekleştirilmiştir. Su Newtonien bir akışkan olduğu için sabit viskoziteyle ve kan Newtonien olmayan akışkan olduğundan dolayı viskozite davranışı Power-Law yaklaşımıyla modellenmiştir. Akışkan türü açısından iskeleler su için kana göre yaklaşık beş kat daha yüksek geçirgenlik sergilemiştirler. Buna karşı kan akışkanı için elde edilen CKG suya göre yaklaşık altı kat daha büyüklüktedir. Çalışmanın ikinci bölümünde yüzey pürüzlülüğünün iskelelerin geçirgenlik ve CKG'leri üzerinde etkisi Kag bir iskeleyle, üç farklı gözenek boyutlarında (300, 600 ve 900 µm) ve sabit bir gözeneklik oranında (%65) modellenmiştir. Bu iskelelerin cidarında altı seviyede (0, 4, 8, 12, 16 ve 20 µm) pürüzlülük oluşturulmuştur. Sonuçlara göre iskelelerin geçirgenliği üzerinde gözenek boyutunun etkisinin pürüzlülük etkisinden daha belirgin olduğu belirlenmiştir. Ancak pürüzlülük etkisi küçük gözenek boyutlardaki iskelelerde dikkate değer seviyelerde bulunmuştur. Bununla birlikte, pürüzün 600 ve 900 µm gözenekli modellerde CKG üzerindeki etkileri, 300 µm gözenekli modellere göre daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu da iskelelerin akışkan akışı üzerinde (geçirgenlik ve CKG) üretiminden kaynaklanan yüzey kalitesinin önemli bir role sahip oluğunu göstermektedir. 2017, 184 sayfa Anahtar Kelimeler: Yapay kemik, İskele, CFD analizi, Yüzey pürüzlülüğü, Newtonien olmayan akışkanlar