Modelování gyroidních struktur pro osteointegrační povrchy implantátů

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F68407700%3A21110%2F21%3A00352065" target="_blank" >RIV/68407700:21110/21:00352065 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Modelování gyroidních struktur pro osteointegrační povrchy implantátů

Popis výsledku v původním jazyce

Osteointegrace implantátů, která je velmi úzce spjatá s vlastnostmi jejich povrchů a materiálů, je problematika, která je v oboru již velmi dobře popsána a povrchové vlastnosti konvenčních implantátů mají dnes mnohé možnosti, jak docílit optimálního povrchu a spojení na rozhraní kost-implantát. Povrchové úpravy obecně cílí na zdrsnění povrchu implantátu, neboli zvětšení jeho specifického povrchu. Jiný postup, který je dnes možný díky aditivním technologiím, je aplikace porézních povrchů, které se na zvětšení specifického povrchu nepodílí na materiálové úrovni, ale na úrovni geometrie samotného implantátu. Jednou z takových struktur je gyroid – tuto strukturu můžeme najít velmi často v přírodě a z jejích mechanických testů vychází, že vykazuje velmi dobré pevnosti i při výrazné redukci modulu pružnosti E (příznivý efekt pro kost) a značné porozitě. Výzkum ukazuje, že pro tvorbu vzorků pro mechanické testy či pro účely 3D tisku reálných implantátů nám stačí CAD prostředí pro generaci struktury s uspokojivou přesností modelu. Pokud ale chceme na struktuře provádět výpočty pomocí MKP (FEM – metoda konečných prvků), musíme ke generaci modelu přistoupit jinak. Gyroidů je více druhů, ale obecně jsou to TPMS (triply-period minimal surface) povrchové struktury. Single gyroid je základní formou gyroidní struktury. Je popsán následující rovnicí: sin(2πx/a)xcos(2πy/a)+sin(2πy/a)xcos(2πz/a)+sin(2πz/a)xcos(2πx/a)-t=0, kde a je parametr určující rozměr opsané krychle a x, y a z jsou prostorové souřadnice. Manipulací parametru t můžeme docílit požadované charakteristiky struktury – parametr má svá omezení, ale lze jeho pomocí docílit variace mezi tzv. trabekulární a stěnovou variantou struktury (Obr. 1).

Název v anglickém jazyce

Modelling of Gyroid Structures for Osseointegration of Implant Surfaces

Popis výsledku anglicky

Osseointegration of implants is very closely related with their surfaces and materials. It is very well described in literature already and conventional implants today have many means of achieving the optimal surface and connection at the peri-implant area. Surface treatments generally aim to roughen the surface of the implant so as to increase its specific surface area. Another approach made available by the advancement of additive technologies is to apply a porous surface that does not contribute on the material level, but rather on the level of the implant geometry itself. One of such structures is the gyroid - this structure can also often be found in nature and its mechanical tests show that it maintains good strength despite a great reduction in elastic modulus E (a beneficial effect for bone) and the introduction of porosity. The research shows that for conventional 3D printing, it is usually precise enough to create a model via CAD with satisfactory geometry. However, if FEM (Finite Element Method) is concerned, this approach has to be replaced. There are several types of the gyroid structure, but they are generally TPMS (triply-periodic minimal surface) structures. The single gyroid's basic equation is given here: sin(2πx/a)xcos(2πy/a)+sin(2πy/a)xcos(2πz/a)+sin(2πz/a)xcos(2πx/a)-t=0, where a is a parameter determining the edge length of a circumscribed cube and x, y and z are spatial coordinates. By manipulating the parameter t, we can vary between the structure's characteristics. The parameter has its limits but with variations, we can change between the tubular and sheet variants of the structure (Fig. 1).

Druh

O - Ostatní výsledky

CEP obor

—

OECD FORD obor

30404 - Biomaterials (as related to medical implants, devices, sensors)

Projekt

—

Návaznosti

S - Specificky vyzkum na vysokych skolach

Rok uplatnění

2021

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů