Mechanické a numerické analýzy titanových trabekulárních struktur dentálních implantátů tvořených 3D tiskem

Abstract

Hlavním cílem této diplomové práce je prozkoumat a popsat chování nové biomateriálové struktury, která doposud nemá žádné zdokumentované materiálové testy. Trabekulární struktura je zatím komerčně nedostupná pro účely protéz či implantátů, ale její potenciální výhody z hlediska biokompatibility či mechanických vlastností se zdají být velmi příznivé. Protože tato morfologicky komplexní struktura nemohla být vyrobena konvenčními metodami obrábění, bylo u její výroby přistoupeno k technologii 3D tisku. Vyrobené vzorky byly následně testovány metodou nanoindentace a tlakovými a tahovými zkouškami. Na základě těchto mechanických zkoušek byl následně vytvořen numerický model, který byl metodou curve-fitting upraven tak, aby reprezentoval mechanické chování trabekulární struktury. Protože budoucí výzkum bude věnován využití struktury v dentálních implantátech, je v práci zahrnut přehed rozličných materiálů a současných i historických metod implantace pro lepší nastínění problematiky a zdůraznění významu vývoje nových materiálů a struktur. Bližší pozornost je věnována zejména implantačním slitinám, titanovým implantátům, mechanickým vlastnostem a povrchovým úpravám. Je předpokládáno, že pro kompletní a spolehlivý popis chování trabekulární struktury bude dále proveden obsáhlejší výzkum, jelikož zatím není možné dosažené výsledky porovnat s ostatními autory.

The main focus of this thesis is to investigate and describe a novel biomaterial structure that does not have any previously documented history of testing. The trabecular structure is not yet commercially available for prostheses or implants but seems to be very promising in various aspects such as biocompatibility and mechanical properties. Since this morphologically complex structure cannot be machined, 3D printing was used to create a variety of test specimens. These specimens were then tested by nanoindentation and tensile and compression tests. On the basis of the mechanical tests, a numerical model was created and curve-fitted to represent the mechanical behavior of the trabecular structure. Since future effort will be directed towards utilizing the structure in dental implants specifically, an overview of recent and historic implant materials and methods is presented to point out the benefits of development of new materials and structures. A closer attention is given to implant alloys, titanium implants, material properties and surface treatment. It is expected that further effort beyond the limits of this thesis will be needed to fully describe the complex behavior of the trabecular structure as no comparison with other authors is available yet.