Szivacsos csont mikroszerkezetének modellezése fogászati implantátumok környezetében
A kutatásom témája a fogászati implantátumok beépítésének hatása a környező szivacsos csont viselkedésére, kísérleti és numerikus szimulációs módszerek segítségével. A mai társadalmunkban a fogászati implantátumok fontos szerepet játszanak, mind funkcionálisan, mind esztétikailag jelentősen javítva az emberek életminőségén. A munkám célja, hogy olyan módszert dolgozzak ki, amely segítségével a klinikai tapasztalatok az optimális implantátumok és azok beültetési paramétereinek kiválasztásáról numerikusan alátámaszthatóvá válnak, ezzel értékes eszközt nyújtva a döntéshozatali folyamatban a fogász szakorvosok, fogtechnikusok számára.
Jelen dolgozat egy összetett kutatási sorozat első állomását képezi, mely során porózus, szilárd csontmodellező anyagba épített implantátumok tömörítő hatását vizsgálom kísérleti úton és használom fel későbbi végeselemes modellekben. A szivacsos csont szerkezetét többféleképp lehetséges modellezni, azonban ezek közül mind a kontinuummodell, mind a gerendamodell olyan korlátokkal rendelkeznek, amik szükségessé tették a két típus tulajdonságait vegyítő, új modellek létrehozását. Az általam megalkotott porózus struktúrákat biológiai szerkezetek, a méhkaptárak inspirálták, és alapjukat az a meggondolás adja, hogy a gerendaelemes felépítés helyett célszerű egy tömör testbe a feladatnak megfelelő számú, formájú, elhelyezkedésű és méretű üreget metszeni. A szivacsos csontot három különböző porózus struktúrával modelleztem, melyek közül kettő bizonyult megfelelőnek a későbbi céljaimhoz. A két struktúra egyike síkgeometriára épül, ahol a lyukak hatszög alapú prizmák lapközéppontos köbös szerkezetben, míg a másik térgeometria alapú, ahol a lyukak rombdodekaéderek lapközéppontos köbös szerkezetben. A geometriát GeoGebra szoftverrel ellenőriztem, a modelleket pedig Python programnyelven írtam meg a JupyterLab környezetben, a CadQuery könyvtár segítségével.
A porózus struktúrákból egyenletes tömörségű kockákat generáltam a szilárd csontmodellező anyaghoz leginkább hasonlító mikroszerkezet kiválasztásához, és ANSYS szoftver segítségével vizsgáltam ezek anizotróp tulajdonságait. Ezután az optimális modellel különböző tömörödési profilú háromdimenziós porózus szerkezeteket hoztam létre, és egy próbaimplantátummal egyszerűsített stabilitási méréseket végeztem.
A jelen dolgozat legfontosabb eredményének azt tartom, hogy olyan algoritmust készítettem, amely nyílt forráskódú, tehát további, szivacsos szerkezetet igénylő kutatások alapvető eszköze lehet, és amely segítségével gyorsan és dinamikusan generálhatók porózus struktúrák a felhasználási célnak és az igényeknek megfelelően, számos módosítható paraméterrel, akár általánosan anizotróp anyagot létrehozva.
szerző
-
Csűry Mátyás Keresztély
Mechatronikai mérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Lakatos Éva
adjunktus, Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék -
Dr. Tóth Brigitta Krisztina
egyetemi docens, Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék -
Dr. Kiss Rita
egyetemi tanár, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék