Multi-Scale Simulation and Printability Assessment of Implantable Titanium Voronoi Scaffolds for Femur Bone Defect Management

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και προσομοίωση εξατομικευμένων εμφυτεύσιμων πλεγμάτων για την αποκατάσταση εκτεταμένων οστικών ελλειμμάτων του μηριαίου οστού, μέσω της χρήσης τεχνολογιών 3D εκτύπωσης μετάλλων. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ανακατασκευή του μηριαίου οστού από δεδομένα αξονικής τομογραφίας (CT scan), προκειμένου να δημιουργηθεί ένα ακριβές τρισδιάστατο μοντέλο του κοκκάλου και εν συνεχεία του εμφυτεύσιμου ικριώματος. Για τη δημιουργία του πλέγματος του εμφυτεύματος χρησιμοποιήθηκε η λογισμική πλατφόρμα nTopology, η οποία επέτρεψε τον παραμετρικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση μιας δομής τύπου Voronoi lattice, επιλεγμένης λόγω της ικανότητάς της να μιμείται τη φυσική πορώδη δομή του οστού, ευνοώντας την οστεοενσωμάτωση και τη διαβαθμισμένη μηχανική απόκριση. Η τελική γεωμετρία του πλέγματος ενσωματώθηκε στο συνολικό μοντέλο του μηρού για τις ανάγκες των προσομοιώσεων. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω του λογισμικού ANSYS Additive, το οποίο εξειδικεύεται στην προσομοίωση της διαδικασίας Selective Laser Melting (SLM). Αρχικά, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση του πλήρους πλέγματος, ακολουθούμενη από ανάλυση ενός τεμαχίου ύψους 10 mm για καλύτερη ακρίβεια, λόγω των υπολογιστικών περιορισμών. Εξετάστηκαν βασικές μεταβλητές κατασκευής όπως η ισχύς του λέιζερ, το πλάτος της ακτίνας, το ύψος στρώσης και η ταχύτητα σάρωσης, μέσω της προσομοίωσης ενός μικρού, κυβικού σχήματος πλέγματος. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν βάσει τεσσάρων κρίσιμων δεικτών: μετατόπιση, μέγιστες τάσεις von Mises κατά την διάρκεια της εκτύπωσης, περιοχές υψηλής παραμόρφωσης (strain severity) και πιθανά σημεία σύγκρουσης με τη λεπίδα εξομάλυνσης (blade crash). Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το ύψος στρώσης και η ισχύς του λέιζερ επηρέασαν σημαντικά την ποιότητα εκτύπωσης και τη μηχανική αξιοπιστία. Ύψος στρώσης 50 μm και ισχύς λέιζερ 195 W ή υψηλότερη απέδωσαν τα βέλτιστα αποτελέσματα χωρίς αύξηση του χρόνου εκτύπωσης. Αντίθετα, οι μεταβολές στο πλάτος της δέσμης λέιζερ και στην ταχύτητα σάρωσης (80–120 μm, 600–1400 mm/s) είχαν ελάχιστη επίδραση, προσφέροντας ευελιξία στη βελτιστοποίηση της ταχύτητας εκτύπωσης. Συνολικά, η εργασία παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση σχεδιασμού και προσομοίωσης προσαρμοσμένων οστικών εμφυτευμάτων lattice, η οποία ενσωματώνει βιομιμητικό σχεδιασμό και βελτιστοποίηση παραμέτρων εκτύπωσης. Η μεθοδολογία αυτή μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο για την περαιτέρω ανάπτυξη προηγμένων, προσωποποιημένων λύσεων στην επανορθωτική ορθοπαιδική.