Modeling the effect of porosity and pore morphology  on the mechanical properties of titanium structures for osteosynthesis

M.  Исаметова; E. Ильясов; A. Тұрсынбаева; А. Дүйсенғали; Г.  Смаилова

doi:10.51301/ejsu.2026.i2.02

Авторы

M. Исаметова Satbayev University, Қазақстан
E. Ильясов Satbayev University, Қазақстан
A. Тұрсынбаева Satbayev University, Қазақстан
А. Дүйсенғали Satbayev University, Қазақстан
Г. Смаилова Satbayev University, Қазақстан

##plugins.pubIds.doi.readerDisplayName##:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2026.i2.02

Ключевые слова:

кеуекті титан құрылымдары, остеосинтез, кеуектілік, соңғы элементтер әдісі, механикалық қасиеттер

Аннотация

Осы зерттеуде остеосинтез жүйелерінде қолдануға арналған кеуекті титан конструкцияларын сандық модельдеу Finite Element Method (соңғы элементтер әдісі) негізінде жүргізілді. Жұмыстың негізгі мақсаты – кеуектердің әртүрлі геометриялық параметрлері мен кеуектілік деңгейлері жағдайында кеуекті құрылымдардың механикалық мінез-құлқын бағалау болды. Осы мақсатта кеуекті құрылымның фрагменттерін сипаттайтын өкілдік көлемдік элементтер – Representative Volume Element (RVE) қалыптастырылып, материал ішіндегі кернеулер мен деформациялардың таралуын анықтау үшін олар біросьтік жүктеме жағдайында талданды. Модельдеу барысында кеуектіліктің әртүрлі деңгейлері мен кеуек өлшемдері бар құрылымдардың бірнеше нұсқасы қарастырылды. Алынған нәтижелер кеуектілік материалдың механикалық мінез-құлқына шешуші әсер ететін негізгі параметр екендігін көрсетті. Кеуектілік артқан сайын кеуектер арасындағы байланыс аймақтарында кернеулердің шоғырлануы өсетіні, сондай-ақ кернеу мен деформация өрістерінің біркелкі еместігі күшейетіні байқалды. Бұл құбылыс материалдың тиімді жүк көтеретін қимасының азаюымен және құрылым ішіндегі жүктемелердің қайта бөлінуімен түсіндіріледі. Кеуек өлшемдері 200, 400 және 600 мкм болатын модельдер үшін кернеу–деформация тәуелділігі қисықтарын талдау нәтижесінде кеуектілік деңгейі тұрақты болған жағдайда кеуек өлшемінің өзгеруі материалдың тиімді серпімділік модуліне салыстырмалы түрде аз әсер ететіні анықталды. Сонымен қатар кеуектердің геометриялық пішіні құрылымның механикалық қасиеттеріне, соның ішінде қаттылығына және кернеулердің таралуына едәуір ықпал ететіні анықталды. Алынған нәтижелер кеуекті титан имплантаттарын жобалау кезінде олардың сүйек тінімен биомеханикалық үйлесімділігін арттыру мақсатында кеуек пішінін оңтайландыру маңызды фактор болып табылатынын растайды.

Библиографические ссылки

Niinomi, M. (2003). Fatigue performance and cyto-toxicity of low rigidity titanium alloy, Ti–29Nb–13Ta–4.6 Zr. Biomaterials, 24(16), 2673-2683. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(03)00069-3

Traini, T., Mangano, C., Sammons, R. L., Mangano, F., Macchi, A., & Piattelli, A. (2008). Direct laser metal sintering as a new approach to fabrication of an isoelastic functionally graded mate-rial for manufacture of porous titanium dental implants. Dental materials, 24(11), 1525-1533. https://doi.org/10.1016/j.dental.2008.03.029

Lütjering, G, & Williams, J.C. (2007). Titanium. Second ed. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp 20-195. https://www.scirp.org/reference/referencespapers?referenceid=2572320

Abdelaal, M.S., Restrepo, C., & Sharkey, P.F. (2020). Global Perspectives on Arthroplasty of Hip and Knee Joints. The Or-thopedic Clinics of North America, 51(2), 169-176. https://doi.org/10.1016/j.ocl.2019.11.003

Hoskins, W., Rainbird, S., Lorimer, M., Graves, S.E., & Bing-ham, R. (2022). What can we learn from surgeons who perform THA and TKA and have the lowest revision rates? A study from the Australian Orthopaedic Association National Joint Replace-ment Registry. Clinical Orthopaedics and Related Research, 480(3), 464-481. https://doi.org/10.1097/CORR.0000000000002007

Mi, Z.R., Shuib, S., Hassan, A.Y., Shorki, A.A., & Ibrahim, M.M. (2007). Problem of stress shielding and improvement to the hip Implat designs: A review. Journal of Medical Sciences, 7(3), 460-467. https://doi.org/10.3923/jms.2007.460.467

Guo, C., Ding, T., Cheng, Y., Zheng, J., Fang, X., & Feng, Z. (2025). The rational design, biofunctionalization and biological properties of orthopedic porous titanium implants: a review. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1548675. https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1548675

Cong, B., & Zhang, H. (2025). Innovative 3D printing technol-ogies and advanced materials revolutionizing orthopedic surgery: Current applications and future directions. Frontiers in Bioengi-neering and Biotechnology, 13, 1542179. https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1542179

Karageorgiou, V., & Kaplan, D. (2005). Porosity of 3D bio-material scaffolds and osteogenesis. Biomaterials, 26(27), 5474-5491. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.02.002

Uhthoff, H.K., Poitras, P., & Backman, D.S. (2006). Internal plate fixation of fractures: short history and recent developments. Journal of Orthopaedic Science, 11(2), 118-126. https://doi.org/10.1007/s00776-005-0984-7

Mugnai, R., Tarallo, L., Capra, F., & Catani, F. (2018). Biome-chanical comparison between stainless steel, titanium and car-bon-fiber reinforced polyetheretherketone volar locking plates for distal radius fractures. Orthopaedics & Traumatology: Sur-gery & Research, 104(6), 877-882. https://doi.org/10.1016/j.otsr.2018.05.002

Wang, R., Ni, S., Ma, L., & Li, M. (2022). Porous construction and surface modification of titanium-based materials for osteo-genesis: A review. Frontiers in Bioengineering and Biotechnol-ogy, 10, 973297. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.973297

Pei, X., Wu, L., Zhou, C., Fan, H., Gou, M., Li, Z., & Zhang, X. (2021). 3D printed titanium scaffolds with homogeneous di-amond-like structures mimicking that of the osteocyte microenvi-ronment and its bone regeneration study. Biofabrication, 13(1), 015008. https://doi.org/10.1088/1758-5090/abc060

Guo, S., Meng, Q., Zhao, X., Wei, Q., & Xu, H. (2015). Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ul-tralow elastic modulus and high strength. Scientific reports, 5(1), 14688. https://doi.org/10.1038/srep14688

Parthasarathy, J. (2014). 3D modeling, custom implants and its future perspectives in craniofacial surgery. Annals of maxillofa-cial surgery, 4(1), 9-18. https://doi.org/10.4103/2231-0746.133065

Ryan, G.E., Pandit, A.S., Apatsidis, D.P. (2008). Porous titani-um scaffolds fabricated using a rapid prototyping and powder metallurgy technique. Biomaterials, 29(27), 3625-3635. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2008.05.032

Koolen, M., Amin Yavari, S., Lietaert, K., Wauthle, R., Zadpoor, A. A., & Weinans, H. (2020). Bone regeneration in critical-sized bone defects treated with additively manufactured porous metallic biomaterials: the effects of inelastic mechanical properties. Materials, 13(8), 1992. https://doi.org/10.3390/ma13081992

Lv, Y., Liu, G., Wang, B., Tang, Y., Lin, Z., Liu, J., ... & Wang, L. (2022). Pore strategy design of a novel NiTi-Nb biomedical porous scaffold based on a triply periodic minimal surface. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 10, 910475. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.910475

Dziaduszewska, M., & Zieliński, A. (2021). Structural and Material Determinants Influencing the Behavior of Porous Ti and Its Alloys Made by Additive Manufacturing Techniques for Biomedical Applications. Materials, 14(4), 712. https://doi.org/10.3390/ma14040712

Wang, C., Xu, D., Li, S., Yi, C., Zhang, X., He, Y., & Yu, D. (2020). Effect of pore size on the physicochemical properties and osteogenesis of Ti6Al4V porous scaffolds with bionic structure. ACS Omega, 5(44), 28684-28692. https://dx.doi.org/10.1021/acsomega.0c03824

Lv, Y., Wang, B., Liu, G., Tang, Y., Lu, E., Xie, K., Lan, C., Liu, J., Qin, Z. & Wang, L. (2021). Metal Material, Properties and Design Methods of Porous Biomedical Scaffolds for Addi-tive Manufacturing: A Review. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 641130. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.641130

Magidov, I., Mikhaylovskiy, K., Shalnova, S., Topalov, I., Gushchina, M., Zherebtsov, S., & Klimova-Korsmik, O. (2023). Prediction and Experimental Evaluation of Mechanical Proper-ties of SiC-Reinforced Ti-4.25Al-2V Matrix Composites Pro-duced by Laser Direct Energy Deposition. Materials, 16(15), 5233. https://doi.org/10.3390/ma16155233

Kuzminova, Y.O., Dubinin, O.N., Gushchina, M.O., Simonov, A.P., Konev, S.D., Sarkeeva, A.A., & Evlashin, S.A. (2023). The mechanical behavior of the Ti6Al4V/Ti/Ti6Al4V composite produced by directed energy deposition under impact loading. Materialia, 27, 101684. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101684

Mehboob, A., Mehboob, H., Ouldyerou, A., & Barsoum, I. (2024). Computational biomechanical analysis of Ti-6Al-4V po-rous bone plates for lower limb fractures. Materials & Design, 240, 112842. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112842

Krakhmalev, P., & Yadroitsev, I. (2014). Microstructure and properties of intermetallic composite coatings fabricated by se-lective laser melting of Ti–SiC powder mixtures. Intermetallics, 46, 147-155. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.11.012

Buryachenko, V.A., Roy, A., Lafdi, K., Anderson, K.L., & Chellapilla, S. (2005). Multi-scale mechanics of nanocomposites including interface: experimental and numerical investigation. Composites Science and Technology, 65(15-16), 2435-2465. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.08.005

Lee, W.E. (2000). Cellular solids, structure and properties. Materials Science and Technology, 16(2), 233. https://doi.org/10.1017/CBO9781139878326

Li, X., & Zhang, W. (2021). Interfacial reaction in SiCf/C/TiAl matrix composites. Journal of Materials Research and Technol-ogy, 12, 1227-1234. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.03.072

Cahn, R.W.б & Haasen, P. (1983). Physical Metallurgy. North-Holland Physics Publishing: Amsterdam, The Netherlands. https://ia600409.us.archive.org/3/items/PhysicalMetallurgy4EVOLUME1/Physical_Metallurgy_4E_VOLUME2.pdf