Design of an Artificial Femur Scaffold for Bone Tissue Engineering

Abstract

With the technological developments in the field of bone tissue engineering, direct production of bone scaffolds by additive manufacturing method has become possible. This has led to the design of bone scaffolds in more complex structures and various interventions on pore sizes. In this study, a new and unique cellular unit design and bone scaffold suitable for additive manufacturing method was created for use in femoral shaft fractures. The lattice structure of the unit cell design was converted into a solid model in CAD environment first as a wireframe and then by sweeping in a circular cross section. The bone model obtained from the CT data of the femur bone was transferred to the nTopology software. Finally, cellular unit elements were applied to the bone geometry. An analysis model was prepared to measure the strength of the resulting scaffold. After determining the mechanical loads corresponding to the femur bone, the analysis was carried out.

Keywords

• Artificial bone scaffold
• bone tissue engineering
• femur bone
• additive manufacturing

Kemik Doku Mühendisliği İçin Yapay Femur İskelesi Tasarımı

Öz

Teknolojik alanda yaşanan gelişmelerin kemik doku mühendisliği alanında sağladığı imkanlar ile kemik iskelelerinin eklemeli imalat yöntemi ile doğrudan üretimi mümkün kılınmışıtr. Bu durum kemik iskelesinin daha karmaşık yapılarda tasarlanabilmesini, gözenek boyutları üzerinde çeşitli müdahalelerin gerçekleştirilebilmesine yol açmıştır. Bu çalışmada femur kemiği şaft bölgesi kırıklarında kullanılmak üzere eklemeli imalat yöntemine uygun yeni ve özgün bir hücresel birim tasarımı ile kemik iskelesi oluşturulmuştur. Birim hücre tasarımı kafes yapısı CAD ortamında önce tel kafes olarak, ardından dairesel kesitte süpürülerek katı modele dönüştürülmüştür. Femur kemiği CT verisinden kesit alınarak elde edilen kemik modeli nTopology ortamına aktarılmıştır. Son olarak hücresel birim elemanları kemik geometrisine uygulanmıştır. Elde edilen iskelenin dayanımını ölçmek adına bir analiz modeli hazırlanmıştır. Femur kemiğine karşılık gelen mekanik yüklerin tespiti sonrası analiz işlemleri gerçekleştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Yapay kemik iskelesi
• kemik doku mühendisliği
• femur kemiği
• eklemeli imalat

References

1. [1] Top, N., Şahin, İ., Gökçe, H., Gökçe, H., “Computer-aided design and additive manufacturing of bone scaffolds for tissue engineering: state of the art,” Journal of Materials Research, 36 (2021) 3725–3745. Doi: 10.1557/s43578-021-00156-y
2. [2] Günay, M., Yeşildağ, İ., “GMAW esaslı eklemeli imalat ile üretilen düşük karbonlu çeliğin mekanik özellikleri,” Gazi Journal of Engineering Sciences 7:3 (2021) 175-182. Doi: 10.30855/gmbd.2021.03.01
3. [3] Sarı, M. İ., Şahin, İ., Gökçe, H., & Öksüz, Ç., “Ring orthosis design and production by rapid prototyping approach,” Journal of Hand Therapy, 33:2 (2020) 170-173. Doi: 10.1016/j.jht.2019.02.003
4. [4] Top, N., Gökçe, H., “Doku mühendisliğinde bilgisayar destekli yapay kemik iskelesi tasarımı,” Şahin, İ., Eds. Ankara: İKSAD Publishing, 2020.
5. [5] Yavuz, O., “Eklemeli üretim ile üretilmiş gyroid humerus sabitleme plağının güvenilirlik analizi,” Master's Thesis, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Erzurum University, Erzurum, 2022.
6. [6] Aslan, B., “Yenilikçi tasarım yöntemleri kullanarak eklemeli imalata yönelik optimum ürün geliştirilmesi,” Master's Thesis, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Bursa Technical University, Bursa, 2019.
7. [7] Wang, Y., Zhang, L., Daynes, S., Zhang, H., Feih, S., Wang, M., “Design of Graded Lattice Structure with Optimized Mesostructures for Additive Manufacturing,” Materials & Design, 142 (2018) 114-123. Doi: 10.1016/j.matdes.2018.01.011
8. [8] Kalaycıoğlu, Ş., “Eklemeli imalat ile üretilen polimerik kafes yapıların mekanik davranışı,” Master's Thesis, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Middle East Technical University, Ankara, 2022.

9. [9] Egan, P.F., Gonella, V.C., Engensperger, M., Ferguson, S. J., Shea, K., “Computationally Designed Lattices with Tuned Properties for Tissue Engineering Using 3D Printing,” PloS one, 12:8 (2017). Doi: 10.1371/journal.pone.0182902
10. [10] Yeşiloğlu, R., “Eklemeli imalat ile üretilen farklı dolgu geometrisi ve yoğunluğa sahip pla esaslı yapıların mekanik davranışlarının deneysel olarak araştırılması,” PhD Thesis, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Karabük University, Karabük, 2022.