Doku Mühendisliği için Eklemeli İmalat Kullanılarak Yeni Bir Kemik İskelesi Tasarımı ve Üretimi
Tez Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tez Danışmanı: İsmail Şahin
Tezin Onay Tarihi: 2019
Tezin Dili: Türkçe
Özet:
Eklemeli imalat teknolojileri
veya bir diğer ismi ile üç boyutlu (3B) yazıcı teknolojileri ile karmaşık
geometrideki modellerin ve fonksiyonel yapıların tek bir işlem basamağında
üretilmesi mümkündür. Mühendislik, mimarlık, eğitim, askeri ve medikal gibi
birçok alanda üretim teknolojisi olarak tercih edilen 3B yazıcı teknolojileri,
sağlık sektöründe anatomik yapıların üretimi, simülasyon, farmokolojik
uygulamalar, ortez ve implant üretimi ile doku mühendisliği kapsamında
yürütülen çalışmalarda kullanılmaktadır. Doku mühendisliğinde gözenekli kemik
iskelesi üretimi sürecinde kullanılan klasik yöntemler ile gözenek boyutu ve
şeklinin tam olarak kontrol edilememesi ve karmaşık geometrideki iskele
yapılarının üretiminin oldukça zor olması bu alandaki 3B yazıcı teknolojileri
kullanımının artmasına sebep olmuştur. Klasik yöntemlerle üretilen kemik
iskelelerinde hücre göçü ve doku büyümesi genellikle bölgesel yapıda doku
oluşumuyla sonuçlanarak tutarsız ve daha az örülü olan iskelelerin oluşmasına
sebep olmaktadır. 3B yazıcı teknolojileri ile iskele yapıları herhangi bir
kalıba gerek duyulmaksızın doğrudan bilgisayar destekli tasarım dosyasından
üretilebilmektedir. Bu çalışmada, omurga sistemi üzerinde dördüncü bel omuru
(Lumbar 4 - L4) kemiğinin Hesaplanmış Tomografi (Computed Tomography - CT)
verileri elde edilerek tasarlanan iskele yapıları ile bu kemiğin yeniden üretimi
3B yazıcı teknolojileri ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kemik iskelesini
oluşturan en küçük yapı olan hücresel birim tasarımı ile işleme başlanmıştır.
CATIA V5 R25 programında tasarlanan hücresel birimlerden ikisi (scutoid ve
düzgün yirmiyüzlü) biyomimetik tabanlı olup, daha önce literatürde uygulanmamış
yapılardır. Bir diğer hücresel birim tasarımı ise kübik formdadır ve bu birimin
formu var olan hücre yapısına benzetilmek üzere merkez noktalarından dairesel
bir biçimde kesilerek şekillendirilmiş ve literatürden farklılaşmıştır.
Oluşturulan üç hücresel birim de Doku Mühendisliği için Bilgisayar Destekli
Tasarım (Computer-Aided System for Tissue Scaffolds – CASTS) sistemi
kullanılarak oluşturulmuş ve farklı yönlere doğru periyodik olarak arttırılarak
kemik iskelesini meydana getirmişlerdir. Hücresel birimlerin bir araya
getirilmesi ile oluşturulan dikdörtgensel şekildeki iskele yapılarından L4 omur
kemiğinin CT verisi Boolean operasyonları ile çıkarılmıştır. Böylece farklı
geometrideki iskele yapıları ile giydirilmiş üç farklı L4 kemiği iskelesi elde
edilmiştir. Bu kemik iskelelerinin üretimi 3B yazıcı teknolojilerinden malzeme
ektrüzyonu ve malzeme püskürtme yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Malzeme
ekstrüzyonu sistemi ile üretimde PLA (Polylactic acid) ve ABS (Acrylonitrile
butadiene styrene) malzemelerinin kullanımı planlanmıştır ancak, PLA ile üretim
sürecinde kullanılan destek malzemesinin kimyasal çözeltide çözünmemesi işlemin
başarısız kılınmasına sebep olmuştur. Bu sebeple ABSPlusTM – P430 kullanılarak
malzeme ektrüzyonu sistemi ile yapısal iskeleler farklı ölçeklerde
üretilmiştir. Malzeme püskürtme sistemi ile ise akrilik monomer, akrilik
oligomer v ve Ti2O (titanyum dioksit) gibi malzemeleri içeren sıvı haldeki
fotopolimer reçine (VerowhitePlusTM RGD 835) kullanılarak iskelelerin farklı
ölçeklerdeki üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretim sırasında PLA, ABS ve
fotopolimer reçiner malzemelerinin özelliklerine uygun olarak Ansys V17.2
programında kemik iskelelerine yapısal analiz işlemleri uygulanmıştır.
İşlemlerin tamamlanmasının ardından iskele yapılarının gözeneklilik oranları,
farklı 3B yazıcı teknolojileri ve malzemeleri ile üretim sonuçları ve yapısal
analiz sonuçları karşılaştırılmıştır.