mohammad nikkhoo
-
پیش زمینه
در این مطالعه رفتار بیومکانیکی افراد، قبل و بعد از عمل جراحی لامینوپلاستی با این هدف مقایسه شده است که توان مدل سازی اجزای محدود را در تسهیل فن آوری های تشخیص، درمان و پیشگیری از آسیب های ستون فقرات گردنی بسنجد و همچنین نقش آن در ارتقاء استانداردسازی جراحی و کاهش عوارض در بیماران را مشخص کند. هدف اصلی این تحقیق استخراج مدل اجزاء محدود پارامتری شخصی سازی شده بیماران است تا به کمک آن به پیش بینی بیومکانیک ستون فقرات گردنی بیماران بعد از عمل لامینوپلاستی پرداخت.
مواد و روش هابه همین منظور ابتدا، مدل هندسی پارامتری شخصی سازی شده بر پایه 16 پارامتر آناتومیکی ساخته می شود که از تصاویر رادیوگرافی بیمار استخراج شده اند. در این پژوهش برای تجمیع تصاویر عکس برداری دوبعدی سیتی و تبدیل آن به ابر نقاط و اصلاحات اولیه ابر نقاط از نرم افزار mimics 2012 استفاده شده است. نرم افزار مورد استفاده برای اصلاح، سطح سازی و در نهایت ایجاد مدل های سه بعدی Geomagic Studio 2012 بود. پس از مدل سازی تمامی بافت های گردن، مدل، وارد نرم افزار المان محدود Abaqus 2012 شد و در این نرم افزار فرآیند شبیه سازی و تحلیل ستون فقرات گردن صورت پذیرفت. در پژوهش کنونی سعی شد تا ایجاد مدل هندسی در مدل سازی بافت های حجمی و همچنین در مدل سازی رباط ها و عضلات با دقت بسیار بالا صورت پذیرد تا بستری مناسب برای مطالعات آتی پیرامون خواص مواد و رفتار بافت ها به دور از بیم مشکلات هندسی مدل ایجاد شود.
یافته هابا توجه به اینکه تحلیل عمل لامینوپلاستی در بیومکانیک ستون فقرات گردنی لازم بود تا مدل در راستای خم کردن و باز شدن صحه گذاری شود اما در صورتی که بارگذاری به مدل خارج از صفحه سجیتال میانی باشد باید به تناسب صحه گذاری در جهات دیگر نیز انجام گیرد. صحه گذاری پاسخ حرکتی دیسک برای دیسک بین مهره های دوم و سوم انجام گرفت و با توجه به ساختار و روند یکسان در طراحی دیسک های بین مهره ای از به دست آوردن پاسخ های حرکتی سایر دیسک ها صرف نظر شد. انطباق خوب بازه حرکتی در اعمال گشتاور در جهت باز شدن را می توان به دلیل طراحی صحیح مفاصل فاست و در نظر گرفتن فاصله مناسب دو غضروف فاست از یکدیگر و نحوه درگیری آنها در مدل کنونی دانست.
نتیجه گیریدر حالت طبیعی بدن انسان وظیفه اصلی تحمل وزن سر و مستهلک کردن انرژی های ناشی از بارهای فشاری، به عهده هسته دیسک است. در طول تحلیل عمل لامینوپلاستی در بیومکانیک ستون فقرات گردنی نیز اگرچه از اثرات وزن چشم پوشی شده اما جرم های بافت های ستون فقرات و جمجمه در راستای محور Z منتج به اعمال بار فشاری بر دیسک ها می شود که این بار فشاری به ترتیب کاملا محسوس از بالا به سمت پایین افزایش می یابد. نکته قابل ذکر دیگر برای هسته دیسک ها تاثیر قابل توجه خاصیت ویسکوالاستیک است. مدول الاستیسیته برای هسته دیسک حدود 12 کیلوپاسکال تعریف و اعمال شده که نسبت به خواص بافت های نرم دیگر مقدار به نسبت پایینی است اما به دلیل آنکه در تحلیل عمل لامینوپلاستی در بیومکانیک ستون فقرات گردنی هسته دیسک نرخ کرنش در اکثر بافت ها از جمله هسته دیسک بالا است، در عین حال که هسته های دیسک دچار تغییر شکل های شدیدی نشدند اما تنش هایی در حدود 20 مگاپاسکال را تحمل کردند.
کلید واژگان: تحلیل المان محدود، ستون فقرات گردنی، لامینوپلاستی، بیومکانیکIn this study, the biomechanical behavior of individuals before and after laminoplasty surgery has been compared with the aim of measuring the ability of finite element modeling in facilitating technologies for diagnosis, treatment and prevention of cervical spine injuries and also determine its role in improving the standardization of surgery and reducing complications in patients. The main goal of this research is to extract the personalized parametric finite element model of patients so that it can be used to predict the biomechanics of the cervical spine of patients after laminoplasty. In this sense, first, a personalized geometric parametric model is created based on 16 anatomical parameters that are extracted from the patient's radiographic images. In this research, Mimics 2012 software was used to gather 2D CT images and convert them into point clouds and make initial corrections of point clouds. The software used for modification, leveling and finally creating 3D models was Geomagic Studio 2012. After modeling all the tissues of the neck, the model was entered into the Abaqus 2012 finite element software, and in this software, the process of simulation and analysis of the cervical spine took place. Therefore, in the current research, an attempt was made to create a geometric model in the modeling of volumetric tissues as well as in the modeling of ligaments and muscles with very high accuracy, in order to create a suitable platform for future studies on the properties of materials and the behavior of tissues, away from the fear of geometric model problems.
Keywords: Finite Element Analysis, Biomechanics Of The Cervical Spine, Laminoplasty -
BackgroundThe biomechanical impacts of Conventional Open Surgery (COS) versus Minimally Invasive Surgery (MIS) fusion techniques on adjacent segments and their potential role in developing Adjacent Segment Disease (ASD) remain uncertain for spondylolisthesis.ObjectiveThis study aimed to investigate the impact of MIS and COS fusion surgeries on adjacent spinal segments for spondylolisthesis, through on muscle injury and developing ASD.Material and MethodsThis prospective and non-randomized controls study used a validated musculoskeletal model to compare the biomechanical effects of COS and MIS L4/L5 fusion surgery on patients with spondylolisthesis. The model incorporated kinematic data from 30 patients who underwent each surgery. A sitting task was simulated to model post-operative muscle atrophy, and the analysis focused on changes in biomechanics of adjacent spinal segments.ResultsLumbar flexion was significantly greater (201%) in MIS vs. COS, despite similar pelvic tilt. Consequently, Lumbopelvic Rhythm (LPR) also increased in MIS (133%). Both techniques altered inter-segmental moments. While inter-joint load was higher in COS, only the lower joint’s compressive load was significantly greater (67%). Additionally, MIS required lower overall muscle force with reduced loads and passive moment on spinal joints compared to COS.ConclusionThis study demonstrates that MIS fusion preserves physiological LPR better than COS. MIS maintains normal spinal curvature and maintains lumbar lordosis. While open surgery can lead to abnormal curvature and increased muscle forces to compensate for spinal stability. The study emphasizes the importance of paraspinal muscles in influencing spinal load distribution during MIS compare to COS.Keywords: Spondylolisthesis, Spine, Minimally Invasive Surgical Procedures (MIS-P), Conventional Open Surgery (COS), Musculoskeletal Models (MS)
-
طراحی غشاهای کارآمد برای نمک زدایی به منظور کمک به کاهش بحران کمبود آب موضوع مطالعات مختلف بوده است. در این مطالعه ابتدا نانوصفحات WS2 تهیه و سطح غشاهای کامپوزیت لایه نازک (TFC) توسط آنها اصلاح شد. پس از آن، نانوکامپوزیت جدید متشکل از نانوصفحات CuAl LDH و WS2 به روش هیدروترمال سنتز شد و نوع جدیدی از غشاهای نانوکامپوزیت لایه نازک (TFN) با استفاده از آنها ساخته شد. سپس عملکرد تمام غشاهای تهیه شده در فرآیند اسمز مستقیم (FO) مورد مطالعه قرار گرفت. اثرات ترکیبات تهیه شده بر مورفولوژی، ساختار شیمیایی، آب دوستی و توپولوژی لایه فعال پلی آمید (PA) با استفاده از آنالیزهای FE-SEM، FT-IR، EDX، XRD، AFM و زاویه تماس آب بررسی شد. در نهایت با مقایسه نتایج برای هر دو نوع غشا اصلاح شده، غشا حاوی 025/0 درصد وزنی اصلاح کننده نانوکامپوزیت بیشترین شار آب (LMH 30/29) و گزینش پذیری (g/L 38/0) را نشان داد که به عنوان غشا بهینه انتخاب شد.کلید واژگان: اسمز مستقیم، دی کالکوژنید فلزهای واسطه، هیدروکسیدهای دوگانه لایه ای، غشای نانوکامپوزیتی فیلم نازک، نمک زداییThe design of efficient membranes for desalination in order to help alleviate the water shortage crisis has been the subject of various studies. In this study, WS2 nanosheets were first prepared and the surface of thin film composite (TFC) membranes was modified by them. After that, a new nanocomposite consisting of CuAl LDH and WS2 nanosheets was synthesized by hydrothermal method and a new type of thin film nanocomposite (TFN) membranes were made using them. Then the performance of all prepared membranes in the forward osmosis (FO) process was studied. The effects of the prepared compounds on the morphology, chemical structure, hydrophilicity and topology of the polyamide (PA) active layer were investigated using FE-SEM, FT-IR, EDX, XRD, AFM and water contact angle analyses. Finally, by comparing the results for both types of modified membranes the membrane containing 0.025% by weight of the nanocomposite modifier showed the highest water flux (29.30 LMH) and selectivity (0.38 g/L), which is the optimal membrane. Selected.Keywords: Forward Osmosis, Transition Metal Dichalcogenides, Layered Double Hydroxides, Thin-Film Nanocomposite Membrane, Desalination
-
مقدمه
آسیب های ستون فقرات گردنی اغلب باعث ناتوانی افراد می شوند و بر عملکرد کلی و کیفیت زندگی افراد تاثیر منفی می گذارند. بنابراین، درک آسیب و اختلال عملکرد ستون فقرات گردنی و همچنین پاسخ بیومکانیکی به محرک های خارجی حایز اهمیت است. از این رو مدل سازی المان محدود می تواند به محققان در دستیابی به تنش ها و فشارهای داخلی در استخوان ها، رباط ها و بافت های نرم کمک کند. هدف از این مطالعه مقایسه رفتار بیومکانیکی ستون فقرات گردنی، قبل و بعد از ایجاد تروما می باشد.
روش انجام کاردر این مطالعه مدل سالم و دو حالت مختلف از تروماهای ستون فقرات گردنی به روش المان محدود مدل سازی شد و نتایج حاصل از این مدل ها تحت بارگذاری استاتیکی با یکدیگر مقایسه گردید.
نتایجسه پارامتر چرخش بین مهره ای، نیروی مفاصل فاست و فشار درون دیسکی با در نظر گرفتن بار پیرو محاسبه و بررسی شد. نتایج این پارامترها در حرکات فلکشن، اکستنشن، خمش جانبی و چرخش محوری در همه ی سطوح بین دو مدل تروما در کنار مدل سالم مورد بررسی قرار گرفت.
نتیجه گیریبا مدل سازی تروما رفتار بیومکانیکی مدل دستخوش تغییراتی شد، که این تغییرات شامل کاهش دامنه حرکتی مدل های تروما، کاهش فشار میان دیسکی و افزایش نیروی بین مفاصل فاست بوده است . این بهم ریختگی ساختار در این سیستم پیچیده باعث ایجاد رفتار غیر نرمال در حرکات مختلف شده است. پیش بینی می شود نتیجه این رفتار بیومکانیکی مدل در صورت بهبود نیافتن باعث عدم ثبات در مکانیزم ستون فقرات شده و ممکن است در طولانی مدت موجب افزایش آسیب های بیشتری شود.
کلید واژگان: مدل شخصی سازی شده، تحلیل المان محدود، ستون مهره گردنی، تروما، دامنه حرکتی، فشار داخل دیسک، نیروی مفاصل فاستBackground & AimCervical spine injuries often cause disability and adversely affect the overall performance and life quality of people. Therefore, recognition of the damage and dysfunction of the cervical spine and biomechanical response to external stimuli is of paramount importance. Accordingly, finite element (FE) modeling can help researchers to access the internal stresses and strains in the bones, ligaments and soft tissues. The present study aimed to compare the biomechanical behavior of the cervical spine before and after trauma.
Materials and MethodsIn this study, we developed a healthy model along with two different traumatic injuries of the cervical spine modeled by the FE method. The results of the models were compared under static loading.
ResultsWe estimated and evaluated three parameters of intervertebral rotation, facet joint force and intra-disc pressure by considering follower load. The results of the mentioned parameters were evaluated in the two traumatic injury models and the healthy model in flexion, extension, side bending and axial rotation movements at all levels.
ConclusionAccording to the results, trauma modeling caused changes in the biomechanical behavior of the model, including decreased range of motion in the traumatic injury models, reduced intra-disc pressure and increased facet joint force. This structural disruption in this complex system caused abnormal behavior in various movements. According to the results, the lack of improvement of the biomechanical behavior of the model would cause spinal instability and could increase the probability of injuries in different segments of the lower cervical spine in the long term.
Keywords: Customized Model, finite element modeling, Cervical Spine, Trauma, Range of Motion, Intra-disc Pressure, Facet Joint Force -
International Journal of Advanced Design and Manufacturing Technology, Volume:14 Issue: 4, Dec 2021, PP 91 -104The design and manufacturing cubic porous scaffolds are a considerable notion in tissue engineering (TE). From Additive manufacturing (AM) perspective, it has attained high appeal in the string of TE during the past decade. In the view of TE, the feasibility of manufacturing intricate porous scaffolds with high accuracy contrast to prominent producing methods has caused AM the outstanding option for manufacturing scaffold. From design perspective, porous scaffold structures play a crucial task in TE as scaffold design with an adequate geometries provide a route to required strength and porosity. The target of this paper is achieve of best geometry to become an optimum mechanical strength and porosity of TE scaffolds. Hence, the cubic geometry has been chosen for scaffold and Cube, Cylinder and Hexagonal prism geometries have been selected for pore of structures. In addition, for noticing the porosity effects, pore size has been chosen in three size, and a whole of nine scaffolds have been designed. Designed scaffolds were generated using Fused Deposition Modeling (FDM) 3D Printer and dimensional specifications of scaffolds were evaluated by comparing the designed scaffolds with Scanning Electron Microscope (SEM). The samples were subjected to mechanical compression test and the results were verified with the Finite Element Analysis (FEA). The results showed that firstly, as the porosity increases, the compressive strength and modulus of elasticity obviously decreased in all geometry pore scaffolds. Secondly, as the geometry changes in similar porosity, cubic pore scaffold achieved higher compressive strength and modulus of elasticity than cylinder and hexagonal prime. Experimental and FEM validated results proposed a privileged feasible pore geometry of cubic scaffold to be used in design and manufacturing of TE scaffolds.Keywords: Cubic Scaffold, Pore Geometry, Tissue Engineering, Additive Manufacturing, Mechanical strength, Finite Element Analysis
-
زمینه و هدف
طراحی زخم پوش مناسب متاثر از موارد متعددی از جمله نوع زخم، زمان ترمیم زخم، خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بانداژ در نظر می باشد. الکتروریسی روش ساده و ارزانی برای تولید لیف های نانومتری و میکرومتری است. با توجه به توانایی مت های لیفی و خاصیت متخلخل آن ها، لیف های الکتروریسی شده می توانند به صورت مفیدی در طراحی زخم پوش ها به کار برده شوند.
روش کاردر این بررسی ساخت زخم پوش های الکتروریسی شده ی دو لایه مورد مطالعه قرار گرفته است، که لایه ی زیرین متشکل از پلی وینیل الکل بارگذاری شده با ونکومایسین است و لایه ی رویی از کیتوسان و پلی لاکتید کو گلایکولیک اسید ساخته شده است.
یافته هابررسی های آزمایشگاهی این پژوهش نشان دادند که ساختار های به دست آمده قطری بین 2/0-2/1 میکرومتر دارند که به صورت تصادفی توزیع شده اند. این لیف ها عاری از بید بوده و می توانند ماتریس خارج سلولی را شبیه سازی کنند. همچنین با ارزیابی آزمون جذب آب این بستر ها مشخص شد که توانایی جذب آب خوبی دارند و در حدود 110% جذب آب بعد از 24 ساعت غوطه وری در آب حاصل شده است. پس می توانند ترشحات زخم را جذب کرده و محیط زخم را خشک نگه دارند. آزمون تخریب نمونه ها حاکی از تخریب 35% از این بستر دو لایه ی الکتروریسی شده در طی 3 هفته غوطه وری در PBS بوده است.
نتیجه گیریبا بررسی رهایش ونکومایسین مشخص شد که اگرچه در ابتدا کمی رهایش انفجاری مشاهده می شود، اما در عرض چند ساعت نرخ رهایش کنترل شده و با نرخ آرام تری رهایش روی می دهد. همچنین آزمون خواص آنتی باکتریایی این موضوع حاکی از این بود که این داربست های دو لایه خواص آنتی باکتریایی چشمگیری نشان می دهند، به گونه ای که حدود 98% باکتری ها از بین رفتند. اگرچه آزمون ضد باکتریایی نشانگر کاهش چشمگیر رشد باکتری بود اما آزمون زنده مانی سلولی نشان داد که این داربست ها در مقابل سلول ها زیست سازگاری دارند. در ادامه به هرکدام از مطالب ذکر شده با جزییات بیشتری اشاره می شود و نتایج آزمون ها مورد تحلیل و بررسی قرار خواهند گرفت.
کلید واژگان: زخم پوش، الکتروریسی، پلی وینیل الکل، کیتوسان، ونکومایسینBackground & AimsWound dressing materials allocate a great portion of skin and draught maintenance in the global medical market. In previous times the conventional dressing materials as natural and synthesized bondage, Cotton and gas were used for caring of skin wounds. Nowadays the production of modern wound dressing of higher restorative capabilities has attracted the attentions. These modern wound dressing can precipitate the re-epithelization, collagen synthesis and angiogenesis. These modern wound dressing materials can reduce the PH and perform as a barrier to bacterial penetration. There are several methods available for production of fibers and nanofibers. Between these methods electrospinning has attracted much interests. By this procedure it is possible to produce composite fibers and porous mats. The cells can penetrate to these pores and grow appropriately. The manufactured fibers usually have proper uniformity and the dimensions can vary from several nanometers to micrometers. These fibers can be used in different applications such as the filters, the fortifiers, the scaffolds and the wound dressing materials. The biocompatible materials are among the best choices for fabrication of the wound dressing, They can provide the necessary condition for growth of derma and epidermal layers. The multi-polymers Mat fibers have been used for tissue engineering applications, as they have the capability of the simulation of the extracellular Matrix. Drug addition to these scaffolds can enhance the function of this system and improve the restoration capabilities. The electrospun wound dressing materials facilitate the tissue growth. The electrospun nano-fibers have similar structures to that of the skin and have higher compatibility with blood. They make the wound and tissue restoration possible. In this research the production of two layers wound dressing materials has been conducted by the electrospinning Method. The downward layers of these wound dressing materials have been manufactured from polyvinyl alcohol. Polyvinyl alcohol is a synthetic polymer which has proper electrospinning properties, and therefore it can be used for nanofibers production. The fibers have high tensile strength and an appropriate flexibility. This material is one of the oldest and most common materials that have been utilized for drug delivery systems, wound dressing and wound maintenance, contact lens and artificial limbs. This polymer is biocompatible, and due to the hydroxyl groups, it has reasonable water absorption. Also for infection inhibition vancomycin drug has been loaded in this layer.
MethodsMany different wound dressing fabrication methods have been used for many years. Among these techniques, electrospinning has attracted a lot of attention. This simple and cost-effective method produces nano and micro fibers substrates which simulate extracellular matrixes and provide a suitable porous structure for cell adhesion and proliferation. In this study, electrospinning was used for the fabrication of two-layer wound dressing, consisted from chitosan and poly (lactide-co-glycolide) acid (PLGA) as the first layer and polyvinyl alcohol (PVA) and vancomycin as the second layer. For the first layer electrospinning, the solution of chitosan, poly-lactic co-glycolic acid has been provided and transmitted to 5 ml syringe and located in the place. the syringe tip attached to the electrical current source and the electrospun fibers were collected it on a aluminum foil covered collector. The ejection action was performed by the flow rate of 2 ml per hour and the electrospun fibers were manufactured on a 50 mm diameter collector. In this research, the distance between the nozzle and the collector was 120mm and the rotating speed of the collector was 16 RPM. The device voltage was set at 15 kilovolts. For electrospinning of the second layer the solution of polyvinyl alcohol and vancomycin was provided and transmitted into 5ml syringe, just like previous steps. The injection process was performed by the volume rate of 1 ml per hour and electrospun fibers were gathered on the 15 mm diameter collector. In this level, the distance between the nozzle and the Collector was 200mm, the rotating speed was 10 RPM and the device voltage was set at 15 kilovolts. For cross-linking, the samples were located on the vapor of glutaraldehyde and HCL by the molar ratio of 1:10 for 12 hours.
ResultsElectrospun two layer wound dressing microstructure was evaluated by scanning electron microscopy (SEM). It was observed that both layers have homogenous bead free interconnected porous structures. Image measurement software revealed that fiber diameters ranged from 0.2 to 1.2 micrometer, which can provide a proper substrate for cell proliferation. Functional groups of raw materials and chemical bonding between layers were assessed by FTIR analysis. In order to evaluate layers absorption capacity, they were soaked in PBS solution for 24 hours. They showed about 112.4±10.2 % PBS absorption after 24 hours. So they can absorb wound secretions and keep the wound environment dry. Biodegradation tests showed that 32.7 % of these two layer wound dressing was degraded after 3-weeks immersion in PBS solution. Drug release tests demonstrated a burst release of vancomycin in the first hours which followed by decreasing releasing rates. These releasing manner lowered infection appearance in the wound site. Antibacterial activity is an important factor in wound dressing and the co-existence of chitosan and vancomycin provided approximately 98.72 % bacterial reduction in the antibacterial assay. Although the antibacterial test showed a significant reduction in bacterial growth, the MTT test showed that these scaffolds are biocompatible and provide a favorable environment for cell attachment and proliferation.
ConclusionThe images of the microstructure electrospun substrates depicted that electrospun two-layer polyvinyl alcohol vancomycin and poly lactic co-glycolic acid chitosan substrate has a porous fiber structure, in a way that these pores are interconnected. The fibers of two layers have no beads and they have relatively homogeneous distribution. The water absorption of these scaffolds showed suitable inflation strength in 24-hours of submerge in phosphate buffer saline. Also the degradation capability of the samples demonstrated the approximately 32% degradation of the structure in 3-weeks. It illustrated convenient degradation time of wound dressing and it is in good correspondence with previous researchers. Drug delivery assessment of vancomycin from these samples was relatively explosive in the initial hours. But it reached an equilibrium state in some hours. The initial explosive delivery can lead to eradication of the initial bacteria and it is a key factor in wound dressing applications. The antibacterial assessment of their structure demonstrated high antibacterial capabilities due to the existence of chitosan and vancomycin in these scaffolds. About 98% of the batteries at the dose of 10 mg/lit were perished. Also the cellular viability investigation for these scaffolds proved non-toxicity and biocompatibility. The cultured cells on the scaffolds had normal morphology. According to acquired results in this study, it seems that these two layer electrospinning substrates can be useful for wound healing.
Keywords: Continuous Training, Interval Training, Brain-Derived Neural Growth Factor, Insulin-Like Growth Factor -
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 سازه های متغیر هم از لحاظ مورفولوژی و هم از لحاظ تراکم نسبی با توجه به معادلات ساختاری ضمنی آن ایجاد می کند. معادلات حداقل سطوح تناوب سه گانه با استفاده پلاگین گرس هاپر حل می شود و در نهایت سطح یک سلول واحد برای طراحی ساختار متخلخل بدست می آید. 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 ایمپلنت های دندانی مقدار بیشینه تنش در ایمپلنت های متخلخل نسبت به ایمپلنت رایج افزایش می یابد به طوری که از82/31 به 93/98 مگاپاسکال در ثانیه پنجم افزایش پیدا کرد. در ایمپلنت های متخلخل میزان توزیع تنش در استخوان اسفنجی نسبت به ایمپلنت رایج افزایش پیدا می کند. با متخلخل کردن ایمپلنت های دندانی می توان 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 می شود 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 می گردد.کلید واژگان: حداقل سطوح تناوب سه گانه، ساخت افزایشی، ایمپلنت متخلخل، روش اجزا محدودIn 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.Keywords: Triply Periodic Minimal Surface, Additive Manufacturing, Porous Implant, Finite element method
-
پیش زمینه
عمل جراحی فیوژن ستون فقرات در سال های اخیر به عنوان یکی از رایج ترین درمان ها برای آسیب های ستون فقرات مطرح است. همچنین کیج های بین مهره ای که جایگزینی برای دیسک های بین مهره ای آسیب دیده در این عمل های جراحی هستند طی دهه های گذشته، دست خوش تغییرات گسترده ای در زمینه طراحی و مواد اولیه شده اند. این تغییرات از ساخت کیج های ساده تیتانیومی با روش های رایج ساخت و تولید تا کیج های شخصی سازی شده متخلخل تیتانیومی توسط تکنولوژی ساخت افزودنی یا کیج های پلیمری پوشش دهی شده با تیتانیوم، کاملا قابل مشاهده است.
مواد و روش هادر بین تمامی مواد اولیه که در ساخت کیج های بین مهره ای کاربرد دارد پلیمر پلی اتراتر کتون (PEEK) و فلز تیتانیوم، از رایج ترین مواد هستند. هرکدام از این دو ماده، مزایا و معایب خود را دارند و در مطالعات زیادی به مقایسه آنها پرداخته شده است. دو معیار نرخ فرونشست و نرخ جوش خوردگی معیارهای اصلی در مطالعات بالینی صورت گرفته برای مقایسه این دو نوع کیج می باشند.
یافته هادر این بررسی سعی شده است با مرور جامع مطالعات کلینیکی چاپ شده در زمینه مقایسه دو کیج تیتانیومی و PEEK به جمع بندی و مقایسه جامع این دو نوع کیج پرداخته شود.
نتیجه گیریپس از بررسی مطالعات انجام شده مشخص گردید در رابطه با نرخ فرونشست، هر دو گروه نتایج نسبتا مشابهی ارایه داده اند و برتری خاصی در هیچ کدام از کیج های تیتانیومی یا PEEK وجود ندارند اما کیج تیتانیومی در نرخ جوش خوردگی، نتایج بهتری ارایه کردند و در کلینیک درصد موفقیت بالاتری نسبت به کیج PEEK گزارش شده است.
کلید واژگان: ستون فقرات، تیتانیوم، فیوژن ستون فقرات، تعویض کامل دیسک، پلیمر هاIn recent years, spinal fusion surgery has become one of the most common treatments for spinal cord injuries, while the interbody cages, which replace the damaged interbody discs in the surgeries, have undergone extensive changes in design and material. These changes are quite visible, ranging from plain titanium cages made using the conventional manufacturing methods to customized porous titanium cages, which are made using additive manufacturing technology, or titanium-coated polymer cages. Among all the materials used in manufacturing the interbody cages, PolyEther Ether Ketone (PEEK) and titanium are the most common ones. Each of these two has its own advantages and disadvantages. Several studies have compared these two materials, mostly based on the two characteristics of subsidence and fusion rates. The present study performed a comprehensive review of the published clinical studies comparing the titanium and PEEK cages in order to make a comprehensive evaluation of these two. According to the reviewed studies, both materials had relatively similar results in subsidence rate, with no significant difference. However, it was shown that the titanium cages had a better fusion rate and subsequently were more likely to be successful in the clinical settings than the PEEK cages.
Keywords: Spine, Titanium, Spinal Fusion, Total Disc Replacement, Polymers -
International Journal of Advanced Design and Manufacturing Technology, Volume:13 Issue: 4, Dec 2020, PP 39 -46
In this paper, an attempt has been made to provide a numerical method for investigating the mechanical properties of multilayer scaffolding. These scaffolds can be used as implants in bone fractures. For this purpose two numerical simulation methods are introduced to predict the elastic properties of multilayer cell scaffolds. These simulations are based on two models: a 3D model with a volumetric element, and a 1D model with a linear element. To compare the results of these models, three types of two- and three-layer titanium alloy scaffolds have been simulated by the two methods. Also, Young's modulus of the scaffolds has been compared with the experimental conclusions of earlier studies. The results confirm that simulations with 1D models are more cost-effective compared to 3D ones. Additionally, because of the more reliable agreement of Young's modulus results of numerical modeling with the linear element (1.8 to 5 times) compared to the volumetric element (11 to 23 times) compared to the experimental findings, the numerical method with the linear elements can be a reliable tool for studying multilayer scaffoldings.
Keywords: Additive Manufacturing, Finite Element Modeling, Multilayer scaffold, numerical analysis, Open-lattice cellular scaffold -
Journal of Modern Processes in Manufacturing and Production, Volume:9 Issue: 2, Spring 2020, PP 5 -22Advances in the additive manufacturing technology have led to the production of complex microstructures with unprecedented accuracy and due todesigning an effective implant is a major scientific challenge in bone tissue regeneration and bone growth. In this research, titanium alloy cylindrical scaffolds with three-dimensional architectures have been simulated and compared for curing partial bone deficiencies. The cylindrical networks in the scaffold (outer diameter 15 and length 30 millimeters) were designed in 36 different convergent, two-layer and three-layer types with 50% and 70% porosity. In all the samples, outer layers were denser than the inner layers. Mechanical characteristics of these scaffolds have been determined by simulating uniform compression load. The stress-strain curve of the samples showed that Young’s modulus and yield stress in the scaffolds with constant porosity were related to a unit-cell and the two-layer scaffolds, without changing Young’s modulus, had higher yield stress. This advantage was more significant in high-density scaffolds.Keywords: Bone Scaffold, Implant, Additive Manufacturing, numerical analysis
-
Introduction
Pedicle screw-based spine fusion has been employed as a felicitous approach for treatment of degenerative lumbar spinal diseases. Although the pedicle screw designs and fixation techniques have progressed, many clinical studies have reported the adjacent segment degeneration (ASD) and several other adverse effects after surgery. In the case of fixation techniques, the use of semi-rigid rods such as Polyarylether ether ketone (PEEK) rods can be an appropriate substitute for rigid fusion instrumentation. However, the biomechanical effects of using viscoelastic PEEK rods for use in clinical studies are still unclear.
Materials and MethodsIn this study, the effects of using two pedicle screw-based stabilization systems, i.e. viscoelastic PEEK rods and elastic Titanium rods, on the stress distribution in L3-L4 intervertebral disc and the surrounding osseous tissue were investigated. An L1-L5 lumbar region was modeled. Subsequently, a mild degenerative disc disease was simulated in the L3-L4 lumbar level. Next, an axial cyclic torque was applied to the model.
ResultsThe results showed that, at the end of the loading cycle, the maximum von-Mises stress in the L3-L4 intervertebral disc as well as the overall value of stress in the surrounding osseous tissue were slightly greater in the viscoelastic model as compared to the elastic one. Nonetheless, the stress distribution contours and the location of maximum stress were different in the two models.
ConclusionIt can be postulated that the vulnerable areas of lumbar bone are different in two models.
Keywords: Dynamic Stress, Fusion Surgery, Finite Element Analysis, Mechanical Vulnerability -
مقدمه
در حدود 80 درصد از مردم در زندگی خود درد کمر را تجربه می کنند. گرچه خیلی از بیماران درد کمری مرتبط با دژنراسیون دیسک دارند، ولی روند دقیق دژنراسیون همچنان نامشخص است. بیماری دژنراسیون دیسک یک سوم جمعیت جوان جهان را درگیر کرده است. در طول دژنراسیون، دیسک دستخوش تغییرات مورفولوژی و بیوشیمیایی می شود که در نتیجه آن هیدراسیون بافت، نفوذپذیری و در نهایت ظرفیت تحمل بار دیسک تغییر می کند. به همین دلیل، مدل اجزای محدود که به منظور مطالعه ارتباط بین باربرداری مکرر و دژنراسیون دیسک طراحی می شود، باید قادر به تحلیل درست در برابر بارگذاری های پیچیده شناخته شده در in-vivo باشد. هدف از این مطالعه ساخت و بروزرسانی مدل های اجزای محدود با خواص پروالاستیک بود تا از این طریق بتوان بارگذاری های مختلف شبه استاتیکی را با ارایه مدل شخصی سازی شده در افراد مختلف بررسی کرد و در مطالعات کلینیکی به منظور شبیه سازی رفتار بیومکانیکی روزانه جهت تشخیص و درمان دقیق تر مورد استفاده قرار داد.
روش انجام کار:
در این مطالعه سه حالت مختلف از مدلسازی های موجود اجزای محدود از جمله روش تقارن محوری، مدل پارامتری و مدل دقیق با خواص مکانیکی پروالاستیک شبیه سازی و نتایج آن با آزمایش های تجربی in-vivo مقایسه شد. به منظور اعتبارسنجی مدل های ساخته شده، نتایج سه آزمایش مختلف شبه استاتیکی خزشی صورت گرفته، از جمله خزش کوتاه مدت، بلند مدت و خزش تحت فعالیت های منظم روزانه ارایه شده است.
نتایجنتایج حاصل نشان دهنده پیش بینی تغییرات قد و جابه جایی محوری ستون فقرات و فشار میان دیسکی مرکز نوکلیوس است.
نتیجه گیری:
کلیه نتایج مطرح شده بیانگر آن بود که مدل های ارایه شده در رفتار شبه استاتیکی پیش بینی های قابل قبولی ارایه کرده و اعتبار کافی جهت بررسی در سایر آزمون های شبه استاتیکی داشته اند. از این رو می توان در بررسی نتایج حاصل در فعالیت های کلینیکی در تعیین روند دژنراسیون دیسک بین مهره ای گامی رو به جلو برداشت.
کلید واژگان: دیسک بین مهره ای، آنالیز اجزاء محدود، پروالاستیک، خزش، ریکاوری، تورم، مدل شخصی سازی شده، بیومکانیک ستون فقراتBackgroundAbout 80% of the population will experience back pain in their lifetime; however, although many patients have low back pain associated with disc degeneration, the exact course of degeneration is still unclear. The disc degeneration disorder has affected one-third of the worldchr('39')s young population. During degeneration, the disc undergoes morphological and biochemical changes, which in turn alter the tissue hydration, permeability, and ultimately the load-bearing capacity of the disc. Therefore, the finite element model, designed to study the relationship between frequent loading and disk degeneration, must be able to analyze the complex loading in the in-vivo conditions. The aim of this study was to construct and update models of finite element components with the prolastic properties so that different quasi-static loads could be investigated by presenting a personalized model in different individuals and applied in clinical studies to simulate the daily biomechanical behavior for accurate diagnosis and treatment.
MethodThis study simulated three different modes of finite element modeling, including axial symmetry method, parametric model and precision model with poroelastic mechanical properties and its results were compared with experimental in-vivo experiments.
ResultsTo validate the constructed models, the results of three different quasi-static creep experiments were performed, including short-term creep, long-term creep and creep under regular daily activities, the results of which predicted changes. The results predicted height changes, axial displacement of the spine and the intradiscal pressure of the nucleus.
ConclusionAll the proposed results indicated that the models presented in quasi-statistic behavior predicted acceptable results and have sufficient validity to be examined in other quasi-statistic experiments. Therefore, it is possible to take a step forward in examining the results of clinical activities in determining the process of intervertebral disc degeneration.
-
پیش زمینهکمردرد یکی از شایع ترین بیماری هایی است که شخص را نیازمند مداخله پزشکی می کند. از آن رو که جراحی آخرین راه درمان است، پیش بینی برنامه ریزی روند انجام جراحی مفید و تا حدی ضروری به نظر می رسد،که لازمه آن در قدم اول داشتن مدل بیومکانیکی صحه گذاری شده براساس اطلاعات آناتومیکی ستون فقرات بیمار است. با وجود پیشرفت بسیار در این زمینه همچنان نیاز به مدلی که هم بتواند پارامترهای آناتومیکی مهم را در بربگیرد و هم از نظرکاربرد کلینیکی قابل استفاده باشد، احساس می شود.مواد و روش هاهدف این مقاله توسعه مدل اجزا محدود شخصی سازی شده ستون فقرات کمری با تعداد 23 پارامتر آناتومیکی است. داده های اولیه از عکس رادیولوژی میانگین افراد سالم استخراج شده و در نرم افزار کتیا طراحی شده است. سپس مدل دقیق اجزا محدود در نرم افزار آباکوس تهیه گردیده است و نتایج محدوده حرکتی سگمنت های حرکتی در حرکات فلکشن، اکستنشن و خم شدن به چپ و راست با نتایج مطالعه تجربی موجود در ادبیات تحقیق صحه گذاری شده است.یافته هابه منظور مشاهده کاربرد مدل پارامتری شخصی سازی شده از ستون فقرات کمری، مدلی از یک بیمار پس از جراحی فیوژن ناحیه کمری ارائه شد و نتایج محدوده حرکتی سگمنت های حرکتی و فشار می اندیسکی با مدل سالم مقایسه گردید.نتیجه گیریباتوجه به اینکه نتایج قابل قبولی در هر مرحله مشاهده گردید، می توان با داشتن مدل پارامتری شخصی سازی شده وگسترش مدل برای هر بیمار، به پیش بینی نتیجه عمل جراحی فیوژن و مقایسه نتایج بیومکانیکی در صورت کمتر یا بیشتر کردن سطوح فیوژن پرداخت که می تواند گام موثری در کلینیک باشد.کلید واژگان: ستون فقرات، مدل اجزا محدود، مکانیک، عمل فیوژن، مدل شخصیسازی شدهBackgroundLow back pain is one of the most common problems that force individuals to seek medical care. Since surgery is the last treatment strategy, predicting the process of conducting surgical procedures seems beneficial and somehow crucial. In this regard, the first step is having a validated biomechanical model based on the anatomical parameters of patients’ lumbar spine. Despite the impressive progress in this field, there is still a need to designing a model that could include important anatomical parameters and be applicable in terms of clinical applications.MethodsThis study aimed to develop the personalized spinal finite element model with 23 anatomical parameters. The initial data was extracted from the radiology picture of the average healthy volunteers and was designed in Catia software. Afterwards, the finite element model was analyzed in Abaqus, and results of the range of motion of motionsegments in movements of flexion, extension and left and right lateral bending were verified based on the results of experimental studies present in the literature.ResultsIn order to observe the application of the patient-specific spinal parametric model, a model of a patient after spinal fusion was presented. Moreover, results of the range of motion of the motion segments and intradiscal pressure were compared to the healthy model.ConclusionSince acceptable results were obtained at each step, it is possible to predict the result of spinal fusion and compare the biomechanical results in case of decreased or increased fusion level by developing a parametric parient-specific model for each patient, which can be an effective achievement for clinical fields.Keywords: Spine, Finite ElementAnalysis, Mechanics, Spinal Fusion, Patient-Specific Modeling
-
درک مکانیزم تخریب مصنوعی دیسک به کمک مدل های حیوانی می تواند در مطالعه روش های احیایی به امید یافتن استراتژی های درمانی، مورد استفاده قرار گیرد. زیرا برای احیای بافت در مدل های حیوانی ابتدا نیاز به مدل تخریب شده بافت است. فرآیند تخریب دیسک می تواند در مدلهای حیوانی به روش ایجاد جراحت با سوزن سرنگ شبیه سازی شود. این در حالی است که تاکنون پاسخ دقیق مکانیکی دیسک تخریب شده به این روش تحت بارگذاری فیزیولوژیک روزانه به خوبی در ادبیات تحقیق مطالعه نشده است. از این رو در این تحقیق، آنالیز های اجزاء محدود معکوس در ترکیب با تست های آزمایشگاهی استفاده گردید تا به کمک آنها خصوصیات مکانیکی دیسک های سالم (8 نمونه) و دیسک های تخریب شده به وسیله سوزن سرنگ (8 نمونه) استخراج گردد. پس از آن، مدل های توسعه داده شده برای هر کدام از 16 نمونه، تحت بارگذاری دینامیکی روزانه تحلیل شدند. نتایج مبین آن بود که تغییرات جابجایی محوری، فشار بین دیسکی و جابجایی کلی سیال بعد از 24 ساعت در گروه دیسک های سالم بالاتر از دیسک های تخریب شده بوده است. اما ماکزیمم استرس محوری داخل دیسک، در گروه آسیب دیده بالاتر بوده است. نتایج بدست آمده همبستگی مناسبی با نتایج دیسک تخریب شده طبیعی جسد انسان دارد. بنابراین نتیجه گیری می شود که تخریب دیسک بین مهره ای با سوزن سرنگ سایز 16 روشی ساده و مقرون به صرفه است که می تواند در شبیه سازی مکانیزم تخریب دیسک در مدل های حیوانی مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: دیسک بین مهره ای، تخریب دیسک، تست آزمایشگاهی، روش اجزاء محدود، بهینه سازی، بارگذاری دینامیکی روزانهUnderstanding the mechanism of artificial disc degeneration using animal models is useful to study the regenerative techniques in hope of finding potential therapeutic strategies. For any type of potential therapeutic techniques, first we need to have the degenerated model. Disc degeneration can be mimicked in animal studies using needle puncture. However, the detailed mechanical response of the artificial degenerated disc using needle puncture under physiological diurnal activities has not been analyzed well. Hence, reverse finite element analyses combined with in-vitro experiments were used in this study to find the mechanical properties of intact (N=8) and injured discs using needle puncture (N=8). Afterward, specimen-specific FE models for 16 discs were simulated during physiological diurnal activity. The results showed that the variation of axial displacement, intradiscal pressure, and total fluid exchange in intact discs were significantly higher than the injured ones after 24h. But the maximum axial stress within disc was significantly higher in injured group. The achieved results are correlated with previous human cadaver data for natural disc degeneration. Therefore, it is concluded that the G-16 needle puncture injury is a simple and cost-effective methodology which can be used to mimic the degeneration mechanism in animal models.
Keywords: Intervertebral Disc, Disc Degeneration, In-Vitro Experiment, finite element method, optimization, Daily Dynamic Loading -
با توسعه ی فناوری های پیشرفته در زمینه ی ایمپلنتهای ستون فقرات، طراحی و ساخت کیج های گردنی برای اولین بار در ایران مورد توجه قرار گرفته است. این پروژه ی تحقیقاتی صنعتی برمبنای مطالعات دقیق بیومکانیکی و براساس مدل های عملکردی اجزای محدود و آزمایش های مکانیکی مربوط به آن انجام می شود. درین تحقیق، بهینه سازی طراحی و مطالعه ی بیومکانیکی تنها کیج گردنی بومی سازی شده در ایران (ساخت شرکت دانش بنیان آتیلا ارتوپد) بررسی شد. بدین منظور، ابتدا مدل اجزای محدود گردنی (C2-C7) تهیه و محدوده ی حرکتی آن با نتایج آزمایش های in-vitroصحه گذاری شد. سه پارامتر ابعادی به عنوان ورودی و دو پارامتر خروجی (شامل میزان تغییر شکل دندانه های کیج در آزمایش استاتیکی و دینامیکی، طبق استاندارد ASTM F2077) برای فرآیند بهینه سازی طراحی و استفاده شد. سپس، تغییرات مورد نیاز جهت شبیه سازی عمل جراحی هم جوشی در سطح C5-C6با جای گذاری کیج گردنی انجام شد. درنهایت، نتایج مطالعه های بیومکانیکی روی محصول نهایی کیج گردنی بومی سازی ارائه شد. نتایج مطالعه های بیومکانیکی نشان داد که این محصول به خوبی می تواند در اعمال جراحی مورد استفاده قرار گرفته و مطابق با استانداردهای نمونه های خارجی موجود در بازار، جهت کاربرد در جراحی ها رقابت نماید.
کلید واژگان: کیج گردنی، بومی سازی فناوری، بیومکانیک ستون فقرات گردنی، تحلیل اجزای محدود، هم جوشی مهره هاTo develop the advanced technologies in medical device industry, design and manufacturing of cervical cage was performed in Iran for the first time. This research-based industrial project should be accomplished based on precise biomechanical studies and mechanical tests. Hence, this study presents the optimization and biomechanical functional investigations of the first Iranian cervical cage (Manufactured by Attila Ortopaed Co.). For this purpose the intact cervical spine (C2-C7) was developed and was validated with in-vitro experiments. Three inputs (i.e. geometrical parameters of the cage) and two outputs (i.e. deformation of the teeth in static and dynamic tests) parameters were selected for optimization procedure. Furthermore, the surgery in C5-C6 level was simulated by implanting the cervical cage. Finally, the biomechanical responses were investigated. The result confirmed that the biomechanical response of cervical cage is within the standard range and can be used well in clinics for surgical procedures.
Keywords: Cervical Cage, Technology Localization, Cervical Spine Biomechanics, Finite Element Analysis, Fusion -
پیش بینی نحوه ارتباط انواع بارهای مکانیکی با ضایعات دیسک بین مهره ای-که برای شناسایی عوامل ریسک بسیار مهم است- صرفا با انجام آزمایش بر روی موجودات زنده یا بر روی نمونه های جسد انسان بسیار مشکل است. روش های المان محدود می تواند راه حل مناسبی در مطالعات یاد شده محسوب شود و رفتار بیومکانیکی دقیق تری را از دیسک حاصل کند. لذا هدف اصلی این مقاله، استخراج مدل المان محدود تقارن محوری پروالاستیک غیرخطی یک بخش حرکتی ناحیه کمری ستون فقرات است تا بتوان بر مبنای آن به مطالعه رفتار بیومکانیکی وابسته به زمان آن پرداخت. پس از مقایسه نتایج مدلهای رفتاری مختلف در تحلیل شبه استاتیک و تشریح مدل پروالاستیک، نتایج بارگذاری های خزش کوتاه مدت، خزش بلند مدت و بارگذاری های چرخه ای ارزیابی شده است. تطابق مناسب نتایج با یافته های آزمایشگاهی موجود در منابع تحقیق مبین صحت پیش بینی مدل در ارایه رفتار بیومکانیکی وابسته به زمان یک بخش حرکتی است. بنابراین برپایه این مدل صحه گذاری شده، می توان به مطالعه نقش بارگذاری های دینامیکی مختلف به عنوان عوامل ریسک در شروع فرایند تخریب دیسک بین مهره ای پرداخت.کلید واژگان: ستون فقرات، المان محدود، دیسک بین مهره ای، تئوری محیط های متخلخل، رفتار وابسته به زمانPrediction of the relationship between different types of mechanical loading and the failure of the intervertebral disc is so important to identify the risk factors which are difficult to study in vivo and in vitro. On the basis of finite element methods some of these issues may be overcome enabling more detailed assessment of the biomechanical behavior of the intervertebral disc. The objective of this paper is to develop a nonlinear axisymmetric poroelastic finite element model of lumbar motion segment and show its capability for studying the time-dependent response of disc. After comparison of the response of different models in quasi-static analysis, the poroelastic model of intervertebral disc is presented and the results of short-term, long-term creep tests and cyclic loading were investigated. The results of the poroelastic model are in agreement with experimental ones reported in the literature. Hence, this model can be used to study how different dynamic loading regimes are important as risk factors for initiation of intervertebral disc degeneration.Keywords: Spine, Finite element, intervertebral disc, Porous media theory, Time-Dependent Response
-
در راستای مطالعات مکانیک بیولوژیکی به عنوان یکی از زیر ساختارهای مهم علوم مهندسی بافت، در این مقاله به مدلسازی ترکیبی المان محدود دیسک های بین مهره ای به عنوان یک بافت نرم متخلخل اشباع شده پرداخته شده است. بنابراین در ابتدا با توجه به قوانین حاکم بر مکانیک محیط های پیوسته، روابط حاکم بر مدل سه فازی دیسک های بین مهره ای استخراج شده است. سپس با استفاده از روش باقیمانده وزنی گلرکین، فرمول بندی المان محدود استخراج و با بهره گیری از روش های نیومارک و بازگشتی اویلر، روابط غیرخطی حل گردیده است. در نهایت به منظور صحه گذاری مدل ریاضیاتی، نتایج مدل یک بعدی با نتایج تحلیلی دکتر سیمون و دکتر سان و همچنین اطلاعات آزمایشگاهی دکتر رست مقایسه شده است. نتایج مبین قابلیت مدل ریاضیاتی برای استفاده در مطالعات بیومکانیکی در قبال بارگذاری های مختلف مکانیکی و الکتروشیمیایی است و بنابراین می توان بر پایه این مدل به بررسی بیومکانیک مهندسی بافت دیسک های بین مهره ای در طرح ریزی فرایند کشت سلولی پرداخت. در نهایت با استفاده از مدل دوبعدی همگن صفحه ساجیتال با خواص مکانیکی دیسک بین مهره ای، به بخشی از کاربردهای متعددی که مدل می تواند در فرایند مطالعات بیومکانیک مهندسی بافت ایفا کند، اشاره ای اجمالی شده است.
کلید واژگان: المان محدود، مکانیک بیولوژیکی، تئوری محیط های متخلخل، دیسک بین مهره ای، روش باقیمانده وزنی گلرکینAccording to mechanobilogical studies as an infrastructure for tissue engineering researches, this paper presents a triphasic finite element modeling of intervertebral discs such a hydrated porous soft tissue. First, the governmental equations were derived on the basis of the laws of continuum mechanics. Then the standard Galerkin weighted residual method was used to form the finite element model. The implicit time integration schemes were applied to solve the nonlinear equations. The formulation accuracy and convergence for one dimensional case were examined with Simon's and Sun's analytical solutions and also Drost's experimental Data. It was shown that the mathematical model is in excellent agreement and has the capability to simulate the intervertebral disc response under different types of mechanical and electrochemical loading conditions. Finally, to have a short review of the capability of the model, a homogenous two dimensional version of the model was applied to simulate the response of a simple sagittal slice of the intervertebral disc.
Keywords: Finite element, Mechanobiology, Porous media theory, Intervertebral Disc, Galerkin method
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.