SCOPUS
SCIE
Finite element modelling and characterization of 3D cellular microstructures for the design of a cementless biomimetic porous hip stem
저자
Mehboob, Hassan ; Tarlochan, Faris ; Mehboob, Ali ; Chang, Seung-Hwan
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2018
작성언어
-주제어
등재정보
SCOPUS,SCIE
자료형태
학술저널
수록면
101-112(12쪽)
제공처
<P><B>Abstract</B></P> <P>Titanium porous cellular microstructures are commonly used in bone mimetic implants. The orientations of the internal strut architectures of these microstructures affect the mechanical performance under various loads; however, poor architectural designs may result in their failure. Three-dimensional (3D) finite element models of cubic, diamond, and body-centered cubic (BCC) geometries were constructed with 1<B>–</B>4 numbers of unit cells and 4–10-mm unit cell size. Mechanical testing of the finite models of the cubic, diamond, and BCC structures with porosities of 20–90% was performed under compression, bending, and torsional loads. The BCC structure showed moderate and relatively isotropic mechanical properties compared with those of the diamond and cubic structures. A design space for a BCC porous structure with a porosity of 40–65% was estimated to model a complete porous stem to mimic the bone properties. Furthermore, the stems with the determined porous mechanical properties of the BCC microstructures with 20–90% porosities were tested under physiological loading conditions. It was found that a porosity of 47.3% of the BCC structure exhibits the closest stiffness (469N/mm) to an intact bone (422N/mm). This was predicted by our suggested design space of the porosity.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Bioinspired 3D FE models of porous cellular structures with cubic, diamond, and body centered cubic geometries were constructed. </LI> <LI> Mathematical simplified relationship for porosity calculation was derived with less than 6% error between theoretical and CAD models. </LI> <LI> 20–90% porous cellular structures were tested under compression, bending and torsional loads. </LI> <LI> Gibson and Ashby and regression models were utilized to correlate the mechanical properties from FEA results. </LI> <LI> A design space of BCC porous structure with porosity of 40–65% was determined and 47.3% porous stem gave the similar stiffness to the bone. </LI> </UL> </P> <P><B>Graphical abstract</B></P> <P>[DISPLAY OMISSION]</P>
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