Optimization of the structure of titanium scaffolds reproducing the concellous bone

• Autorzy: Skalski Konstanty , Filipowski Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.6998

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja struktury tytanowych rusztowań odwzorowujących kość gąbczastą

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the scopes of examination of the cancellous bone, 3D CAD design of scaffolds of the cancellous bone and their creation with a laser beam in SLM incremental technology. The geometrical size of the scaffold and the material feature corresponding to the Young's modulus are the parameters describing the porous structure of the cancellous bone. In the statistical analysis, these values are defined as independent variables. The physical properties of the scaffold are defined by the strength parameters determined by hardness (e.g. HIT, HM, HV and are dependent variables). The REGMULT multiple regression program was used to develop the research results. However, to optimize the porous structure of the scaffold, the single-criteria optimization program SYEQL3 was used.

PL

W pracy przedstawiono zakresy badania kości gąbczastej, projektowania 3D CAD rusztowań (skaffoldów) kości gąbczastej oraz ich tworzenia wiązką lasera w technologii przyrostowej SLM. Parametrami opisującymi porowatą strukturą kości gąbczastej są: wielkości geometryczne rusztowania oraz cecha materiałowa odpowiadająca modułowi Younga. Wielkości te w analizie statystycznej definiowane są jako zmienne niezależne Własności fizykalne rusztowania zdefiniowane przez parametry wytrzymałościowe (twardości, np. HIT, HM, HV) są zmiennymi zależnymi. Do opracowania wyników badań zastosowano program regresji wielokrotnej o nazwie REGMULT. Do optymalizacji struktury porowatej skaffoldu, wykorzystano program optymalizacji jednokryterialnej SYEQL3.

Słowa kluczowe

EN

X-ray microtomography; SLM incremental technology; SLM; SLM technology; selective laser melting; experimental plan; regression function; optimization problem

PL

mikrotomografia rentgenowska; technologia przyrostowa; selektywne topienie laserowe; SLM; technologia SLM; plan eksperymentu; funkcja regresji; zagadnienie optymalizacji

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 3-4
• Strony: 5--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skalski Konstanty

• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

autor

Filipowski Ryszard

• Politechnika Warszawska, Instytut Technik Wytwarzania, Warszawa

Bibliografia

• 1. Biemond J.E., Hannink G., Verdonschot N., Buma P.: Bone ingrowth potential of electron beam and selective laser melting produced tubecular-like implant surfaces with and without a biomimetic coating. „J. Mater Sci. Mater Med” 2013, vol. 23, issue 3, p. 745–753.
• 2. Bronsztajn I.N., Semendajev K.A.: Spravočnik po matematike dla inżenierov i učaščichsja vtuzov. „Izdatielstvo Nauka” 1964, Moskva, s. 321.
• 3. Draper N.R., Smith H.: Applied Regression Analysis, Third Edition. John Willey & Sons, 2015 New York, Copyright 1881.
• 4. Du.Y., Liang H., Xie D., Mao N., Zhao J., Tian Z., Ch. Wang, Shen L.: Design and statistical analysis of irregular porous scaffolds for orthopedic reconstruction based on voronoi tessellation and fabricated via selective laser melting (SLM). „Materials Chemistry and Physics” 2020, vol. 239, 121968.
• 5. Filipowski R.: REGMULT.EXE, Multiple regression program, ITM, Warsaw University of Technology, Warsaw 2019.
• 6. Findeisen W., Szymanowski J., Wierzbicki A.: Theory and calculation methods of optimization. PWN, Warsaw 1980.
• 7. Jankowski K.: Generative techniques in preoperative reconstruction of the auricle of patients with unilateral micration, p. 27. Master thesis, Warsaw University of Technology, WIP, Institute of Mechanics and Printing, Warsaw 2015.
• 8. Kaźnica A., Joachimiak R., Drewa T., Rawo T., Deszczyński J.: New trends in tissue engineering. „Artroskopia i Chirurgia Stawów” 2007, T. 3, nr 3, p. 11–16.
• 9. Kozak J., Zakrzewski T., Witt M., Dębowska-Wąsak M.: Selected problems of additive manufacturing using SLS/SLM processes. „Transactions on Aerospace Research”, 2021, 1.
• 10. Mańczak K.: Planning experiments in technology, WNT, Warsaw 1976, p. –177.
• 11. Pattanayak D.K., Fukuda A., Matsushita T., Takemoto M., Fujibayashi S., Sasaki K., Nishida N., Nakamura T., Kokuba T.: Bioactive Ti metal analogous to human concellous bone: Fabrication by selective laser melting and chemical treatments. „Acta Biomaterialia” 2011, vol. 7, issue 3, p. 1398–1406.
• 12. Polański Z.: Planning experiments in technology. PWN, Warsaw 1984, p. 173–177.
• 13. Skalski K., Makuch A., Wysocki B., Jankowski K., Święszkowski W.: Structure and porosity of titanium scaffolds produced by selective laser melting. „Inżynieria Powierzchni” 2018, vol. 23, nr 1, p. 32–42.
• 14. Stwora A.: Optimization of the manufacturing process with SLS/SLM incremental methods due to selected physical properties of the manufactured elements. Doctoral dissertation, Institute of Aviation Warsaw 2019.
• 15. Taniguchi N., Fujibayashi Sh., Takemoto M., Sasaki K., Otsuki B., Nakamura T., Matsushita T., Kokubo T., Matsuda Sh.: Effect of pore size on bone ingrowth into porous titanium implants fabricated by additive manufacturing: An in vivo experiment. „Materials Science and Engineering: C” 2016, vol. 59, p. 690–701.
• 16. Van Bael S., Chai Y.C., Trscello S., Moesen M., Kerckhofs G., Van Oosterwyck H., Kruth J.P., Schrooten J.: The effect of pore geometry on the in vitro biological behavior of human periosteum-derived cells seeded on selective laser-melted Ti6AL4V bone scaffolds. „Acta Biomaterialia” 2012, vol. 8, issue 7, p. 2824–2834.
• 17. Wysocki B., Idaszek J., Szlązak K., Strzelczyk K., Brynk T., Kurzydłowski K.J., Święszkowski W.: Post Processing and Biological Evoluation of the Titanium Scaffolds for Bone Tissue Engineering. „Materials” 2016, vol. 9, nr 3.
• 18. Xu N., Ye X., Wei D., Zhong J., Chen Y., Xu G., He D.: 3D Artificial Bones for Bone Repair Prepared by Computed Tomography-Guided Fused Deposition Modeling for Bone Repair. „ACS Applied Materials & Interfaces” 2014, 6, p. 14952–14963.
• 19. Yasa E. & Kruth J.: Application of Laser Re-melting on Selective Laser Melting Parts. „Advances in Production Engineering & Management 2011, 6 (4), p. 259–270.
• 20. Zhang X.-Y., Fang G., Leeflang S., Zadpoor A.A., Zhou J.: Topological design, permeability and mechanical behavior of additively manufactured functionally graded porous metallic biomaterials. „Acta Biomaterialia” 2019, vol. 84, p. 437–452.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).