Eklemeli İmalat Yöntemi ile Ti6al4v Alaşımından Trabeküler Omurlararası Füzyon Kafesi Tasarımı, Üretimi ve Biyomekanik Karakterizasyonu

Abstract

The spine, which starts from the bottom of the head bones called cranium and continues until the coccyx, is composed of soft tissues and vertebrae, is an important part of the functional and complex body of the human body. The intervertebral disc which is part of the spine with a large mechanical and functional importance is subject to complex loads, with the combination of compression, bending and torsion during the daily activities. This structure has critical functions such as load distribution, load bearing and preventing excessive movement. Therefore, possible pathological changes in the intervertebral disc may cause dysfunction of the spine. In the treatment of spinal disorders and degenerative disc diseases, fusion surgery has become the standard treatment method. Intervertebral fusion cages are widely used in spinal surgery to restore disc space and maintain height and to provide fusion after discectomy. Parameters that to have high osseointegrasyon ability, good mechanical properties, high corrosion resistance and high wear resistance are important to select material of interbody fusion cages. In this thesis, additive manufacturing method, also known as three-dimensional printing, which is a new production technique and which has been widely used recently, has been used to increase osseointegrasyon, since bone o osseointegrasyon increases more bone implant interaction and stronger mechanical strength. The aim is to manufacture a porous intervertebral fusion cage, to reduce the elasticity modulus of titanium cages and to make the elastic properties closer to the natural bone tissue. In accordance with this purpose design, manufacturing and biomechanical characterization of the trabecular intervertebral fusion cage from Ti-6Al-4V alloy were performed by the additive manufacturing method in this thesis. A literature search was conducted to determine the optimum production parameters. As a result of the literature review, studies evaluating fatigue performance were not observed. The optimum production parameters of the intervertebral fusion cages to be produced by the additive manufacturing method were determined as a result of the mechanical, clinical studies and analysis. Direct metal laser sintering (DMLS) was chosen as the production technique. After production, heat treatment will be done. Different designs were created. The selected parameters were sent to the manufacturer to produce different designs. The static and dynamic performance of the intervertebral fusion cages with different designs are evaluated with biomechanical tests performed according to the relevant standards of ASTM. As a result, Ti-6Al-4V trabecular intervertebral fusion cage which has high biomechanical performance and osseointegrasyon capability has been developed with additive manufacturing method.

Kranium adı verilen kafa kemiklerinin altından başlayıp, kuyruk sokumuna kadar devam eden, yumuşak dokular ve omurlardan oluşan omurga insan vücudunun fonksiyonel ve karmaşık önemli bir parçasıdır. Omurganın bölümlerinden olan, büyük mekanik ve işlevsel öneme sahip omurlar arası disk, günlük aktiviteler sırasında basma, bükme ve burulma kombinasyonu başta olmak üzere karmaşık yüklere maruz kalır. Bu yapının, yük dağıtma, yük taşıma ve aşırı hareketi engelleme gibi kritik görevleri vardır. Bu nedenle, omurlar arası diskte meydana gelen olası patolojik değişiklikler, omurgada fonksiyon bozukluklarına neden olabilir. Omurga rahatsızlıklarının ve dejeneratif disk hastalıklarının tedavisinde füzyon cerrahisi standart tedavi yöntemi haline gelmiştir. Omurlar arası füzyon kafesler, disk mesafesinin restore edilerek yüksekliğin korunmasını sağlamak amacıyla ve diskektomi işlemi sonrası füzyon sağlanması amacıyla spinal cerrahide yaygın olarak kullanılmaktadır. Omurlar arası füzyon kafesler tasarlanırken ve üretilirken kullanılacak malzeme seçiminde, osseointegrasyon kabiliyeti yüksek olması, çok iyi mekanik özelliklere, yüksek korozyon direncine ve yüksek aşınma direncine sahip olması önemli parametrelerdir. Artan osseointegrasyon, daha çok kemik implant etkileşimi ve daha güçlü mekanik mukavemet sağlayacağından, bu tez kapsamında osseointegrasyon artırmak için, yeni bir üretim tekniği olan ve son zamanlarda yaygın olarak kullanılan, üç boyutlu yazım olarak da bilinen eklemeli imalat yöntemi kullanılmıştır. Gözenekli omurlar arası füzyon kafesi geliştirerek, titanyum kafeslerin elastikiyet katsayısını azaltarak, esneklik özelliklerini doğal kemik dokusuna daha yakın hale getirmek amacı doğrultusunda, bu tez çalışmasında eklemeli imalat yöntemi (EİY) ile Ti-6Al-4V alaşımından trabeküler omurlar arası füzyon kafesi tasarımı, üretimi ve biyomekanik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Uygun üretim parametrelerini belirlemek amacıyla literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Yapılan literatür taraması sonucunda, yorulma performansını değerlendiren çalışmalar görülememiştir. Mevcutta yapılmış olan mekanik, klinik çalışmalar ve analizler sonucu, EİY ile üretilecek olan omurlar arası füzyon kafesinin en uygun üretim parametreleri belirlenmiştir. Üretim tekniği olarak da doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) seçilmiştir. Üretim sonrası, ısıl işlem yaptırılmasına karar verilerek, farklı tasarımlar oluşturulmuştur. Seçilen parametreler üreticiye gönderilerek, farklı tasarımları üretmesi sağlanmıştır. Üretilen farklı tasarıma sahip omurlar arası füzyon kafeslerinin statik ve dinamik performansı, ASTM' nin ilgili standartlarına göre gerçekleştirilen biyomekanik testler ile değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, osseointegrasyon kabiliyeti olan, yüksek biyomekanik performansa sahip, eklemeli imalat yöntemi (EİY) ile üretilebilen Ti-6Al-4V alaşımından, trabeküler omurlar arası füzyon kafesi geliştirilmiştir