Since the advent of additive manufacturing techniques, triply periodic minimal surfaces have emerged as a novel tool for designing porous scaffolds. Whereas scaffolds are expected to provide multifunctional performance, spatially changing pore patterns have been a promising approach to integrate mechanical characteristics of different architectures into a unique scaffold. Smooth morphological variations are also frequently seen in nature particularly in bone and cartilage structures and can be inspiring for designing of artificial tissues. In this study, we carried out experimental and numerical procedures to uncover the mechanical properties and deformation mechanisms of linearly graded porosity scaffolds for two different mathematically defined pore structures. Among TPMS-based scaffolds, P and D surfaces were subjected to gradient modeling to explore the mechanical responses for stretching and bending dominated deformations, respectively. Moreover, the results were compared to their corresponding uniform porosity structures. Mechanical properties were found to be by far greater for the stretching dominated structure (P-Surface). For bending dominated architecture (D-Surface), although there was no global fracture for uniform structures, graded structure showed a brittle fracture at 0.08 strain. A layer by layer deformation mechanism for stretching dominated structure was observed. For bending dominated scaffolds, deformation was accompanied by development of 45° shearing bands. Finite element simulations were also performed and the results showed a good agreement with the experimental observations

چکیده

با پیدایش روش ساخت افزایشی روش سطح حداقل بطور سه برابر دوره (TPMS) به عنوان ابزار جدید برای طراحی اسکافولد متخلخل مطرح شده است. با توجه به اینکه انتظار می­ رود که اسکافولدها دارای عملکرد چند منظوره باشند، تغییر الگوهای منافذ به عنوان یک رویکرد به منظور یکپارچه کردن  خصوصیات مکانیکی طراحی­ های  مختلف به یک طراحی منحصر بفرد اسکافولد می­ باشد.  تغییرات مورفولوژیکی هم­چنین اغلب در طبیعت به خصوص در ساختارهای  استخوان و غضروف دیده می شوند و می تواند الهام بخش برای طراحی بافت های مصنوعی باشد. در این مطالعه، روش های تجربی و عددی برای یافتن خواص مکانیکی و نحوه ­ی تغییر شکل اسکافولدهای متخلخل خطی و درجه بندی شده، برای دو روش مختلف ریاضی برای ساختارهای منفذ دار انجام شده است. در میان اسکافولدهای طراحی شده براساس (TPMS) سطوح P و D در معرض مدل­ سازی مختلف به منظور بررسی رفتار این سازه­ ها و پاسخ مکانیکی آن­ها به ترتیب نسبت به بارگذاری کشش و خمش مورد بررسی قرار گرفته­ اند. علاوه بر این نتایج با ساختارهای متخلخل یکنواخت متناسب با خود مقایسه شده ­اند. پی برده شد که خواص مکانیکی برای ساختار تحت کشش (سطح P) به مراتب بهتر می باشند. برای ساختارهای تحت خمش (سطح-D) گرچه شکست کلی برای سازه­ های یکنواخت دیده نمی شود ولی در  ساختارهای مدرج شده در کرنش 0.08 یک شکست ناگهانی مشاهده می­ شود. مکانیزم تغییر شکل لایه به لایه برای ساختارهای تحت کشش مشاهده شده است. برای اسکافولدهای تحت خمش، تغییر شکل با ایجاد باندهای برشی 45 درجه ایجاد می­ شود. شبیه ­سازی المان محدود هم­چنین انجام شد و نتایج بدست آمده تطابق خوبی با مشاهدات بدست آمده از تست نشان می­ دهد.

1-مقدمه

طراحی  اسکافولد مدرج  در طول دهه گذشته به خاطر روش ساخت افزایشی در اثر توسعه­ ی طراحی بیومتریال­ های متخلخل قابل کنترل مورد توجه قرار گرفته است. انواع بافت های انسانی از جمله غضروف، استخوان، دریچه های قلب، اعصاب، عضلات، کبد از طریق داربست مهندسی بافت که به عنوان یک جایگزین موقت برای پیوند و ترمیم بافت به کار می­ رود، دوباره احیا می­ شوند...