جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای محمدحسین شجایی فرد)

موضوع:  آنالیز دوبعدی میکرومکانیکی شکست در بافت متراکم استخوان انسان به روش میدان فاز

ارائه دهنده: محمدحسین شجاعی­ فرد

استادان راهنما: دکتر محمد سیلانی – دکتر مهدی جوانبخت

استادان مشاور: دکتر حسین جعفرزاده

استادان داور: دکتر سعید ضیایی­ راد – دکتر مهدی سلمانی تهرانی

چکیده:

استخوان، به عنوان چارچوب اصلی بدن، دارای ساختار سلسله مراتبی است که وظیفه‌ی حفاظت و حمایت از اندام‌های داخلی بدن را در برابر ضربه و آسیب‌های دیگر دارد. این ساختار دارای آرایش پیچیده‌ای در مقیاس‌های طولی متفاوت است که به آن قابلیت‌های مکانیکی، شیمیایی و زیستی منحصر به فردی می‌دهد. برای شناخت خصوصیات مکانیکی استخوان، باید ساختار سلسله مراتبی و همچنین ترکیب استخوان در نظر گرفته شود. همچنین، اندازه‌گیری تجربی پارامتر‌های آسیب به صورت محلی و تشخیص چگونگی مقاومت در برابر شکست توسط ریزساختار استخوان و تغییرات اجزای ریزساختاری بسیار چالش برانگیز خواهد بود. در این میان، به کمک مدل‌های کامپیوتری می‌توان به درک درستی از ارتباط ویژگی‌های اجزای ریزساختار استخوان و رفتار شکست استخوان رسید.

در پژوهش حاضر مدل‌های عددی دوبعدی از ریزساختار بافت متراکم استخوانی به صورت کامپوزیت‌های سه‌فازی و چهار‌فازی به کمک اسکرپیت‌نویسی با زبان پایتون ایجاد شد و به عنوان ورودی به نرم‌افزار آباکوس داده شد. سپس، به کمک فرمول‌بندی روش میدان فاز که به صورت سابروتین در نرم‌افزار آباکوس پیاده‌سازی شد به تحلیل شکست در برش عرضی بافت متراکم تحت بارگذاری کششی پرداخته شد. همچنین، جهت پیاده‌سازی روش میدان‌فاز، با توسعه روابط موجود از این روش در مطالعات پیشین و با در نظرگرفتن شرایط مسئله و توابع انتخابی، معادله‌ای برای پارامتر طول مشخصه میدان فاز استخراج گردید. در ابتدا، به عنوان مسئله محک، داده‌های مربوط به استخوان لگن گاو به کامپوزیت سه‌فازی نسبت داده شد و پس از اعتبارسنجی روش میدان فاز پیاده‌سازی شده، شبیه‌سازی اصلی برای مدل‌های سه‌فازی و چهار‌فازی با داده‌های مربوط به بافت متراکم استخوان انسان انجام گردید.

رفتار تنش-کرنش بدست آمده از مسئله محک با نتایج مطالعه پیشین در این زمینه مقایسه شد و مشابهت در نتایج، اعتبار روش میدان فاز پیاده‌سازی شده را تضمین نمود. سپس برای هر یک از مدل‌های سه‌فازی و چهارفازی شبیه‌سازی شده با داده‌های انسانی، نمودار تنش-کرنش در حالت بارگذاری کششی استخراج شد. خروجی‌های بدست آمده از شبیه‌سازی انجام شده روی دو مدل عددی با یکدیگر متفاوت بود. تفاوت نتایج در دو مدل مختلف ساختاری نشان دهنده نقش مهم ریزساختار بافت استخوان در شکست می‌باشد. نتایج بدست آمده نشان داد که استحکام نهایی مدل سه‌فازی از مدل چهارفازی بیش‌تر است. در واقع، وجود خطوط سیمانی به عنوان یک فاز مادی ضعیف‌تر نسبت به سایر فاز‌های مادی موجب این اختلاف شد. در مقابل، انعطاف‌پذیری مدل چهار‌فازی نسبت به مدل سه‌فازی بیش‌تر شد. در این مطالعه، نقش خطوط سیمانی در افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش استحکام نهایی نشان داده شد. این ویژگی می‌تواند مکانیزمی برای انحراف و یا حتی توقف ترک در مدل ساختاری باشد. همچنین در پایان کار، اثر افزایش تخلخل بر کاهش استحکام نهایی استخوان بررسی شد و نشان داده شد که با افزایش تخلخل، استحکام نهایی به طور چشمگیری کاهش پیدا خواهد کرد. نتایج مقالات پیشین در این زمینه برای کمک به توسعه مدل‌های عددی و اعتبارسنجی نتایج بدست آمده استفاده گردید.

کلمات کلیدی: بافت متراکم استخوان، ریزساختار، شکست، روش میدان فاز، طول مشخصه میدان فاز، کامپوزیت سه‌فازی، کامپوزیت چهارفازی، خط سیمانی، تخلخل