Polymeric composites of cubic-octahedron and gyroid lattice for biomimetic dental implants

• DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126454
• Publication Date: 2022-06-30T12:39:45Z
• Authors: Bankole I. Oladapo; Joseph F. Kayode; Panagiotis Karagi...; Nida Naveed; Hamid Mehrabi; Kolawole O. Ogundipe
• Keywords: Composite material; 570; Finite element method; cHAp/PEEK; Biomedical Engineering; FOS: Mechanical engineering; Structural engineering; Orthotropic material; 02 engineering and technology; Auxetic Materials; FOS: Medical engineering; Stiffness; Engineering; Copolymer; Lattice constant; /dk/atira/pure/subjectarea/asjc/2500/2500; sub_mechanicalengineering; name=General Materials Science; Polymer; Bone Tissue Engineering and Biomaterials; Mechanical Engineering; Physics; Dental implants; /dk/atira/pure/subjectarea/asjc/3100/3104; Composite number; Optics; 3D printing; Acoustics; Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies; Lattice (music); Composite scaffolds; Materials science; Gyroid; Peek; Manufacture and Application of Cellular Materials; Physical Sciences; Automotive Engineering; Lattice structures; name=Condensed Matter Physics; 0210 nano-technology; Diffraction

El estudio describe una técnica de homogeneización para desarrollar un compuesto de poliéter éter cetona (PEEK) e hidroxiapatita de calcio (cHAp) con estructuras de celosía de patrón periódico. Se evaluó la representación continua de las estructuras discretas para conservar las propiedades del compuesto de celulosa PEEK de la celda reticular aplicada a los implantes dentales. Se consideraron enfoques de diseño, utilizando diferentes modelos de software para optimizar el material PEEK de celosía ortotrópica mediante el establecimiento de una distribución de densidad de celosía variable óptima en el modelo geométrico de un implante dental. Se estudió un modelo de homogeneización basado en la optimización de la red que resultó de la etapa anterior y consideró diferentes fracciones de volumen, tamaño de poro y densidad variable para diferentes celdas de red para implantes dentales. Sus fatigas elásticas adecuadas se obtuvieron mediante el método de homogeneización del modelo basado en el diseño rápido de la célula unitaria, y las pruebas de bioactividad celular se llevaron a cabo en un medio de cultivo. Fue evidente a partir de los resultados obtenidos que la homogeneización aumentó la rigidez del bracket mediante el uso de la misma celda de celosía cúbica, y la frecuencia fundamental obtenida con la optimización de la celosía a resultados más altos después de los implantes. Este resultado se puede aplicar fácilmente utilizando estas estructuras de celosía y PEEK composite en implantes dentales para industrias e instituciones médicas como materiales livianos y mejor biocompatibles en comparación con los metales.<br/>The study describes a homogenisation technique of developing a Polyether ether ketone (PEEK) and calcium hydroxyapatite (cHAp) composite with periodic pattern lattice structures. The continuum depiction of the discrete structures was evaluated to retain the PEEK cellulose composite properties of the lattice cell applied to dental implants. Design approaches were considered, using different software modelling to optimise the orthotropic lattice PEEK material by establishing an optimal variable cell lattice density distribution in the geometric model of a dental implant. A homogenising model was studied based on the lattice optimisation that resulted from the previous stage and considered different volume fractions, pore size, and variable density for different lattice cells for dental implants. Their adequate elastic fatigues were obtained by the unit cell's fast design-based model homogenisation method, and bioactivity cell tests took place in a culture medium. It was evident from the results obtained that the homogenisation increased the stiffness of the bracket by using the same cubic lattice cell, and the fundamental frequency obtained with lattice optimisation to higher results after implants. This result can easily be applied by using these lattice structures and PEEK composite in dental implants for medical industries and institutions as a lightweight and better biocompatible materials compared to metals.<br/>تصف الدراسة تقنية التجانس لتطوير مركب كيتون إيثر بولي إيثر (PEEK) وهيدروكسي أباتيت الكالسيوم (cHAp) مع هياكل شعرية نمطية دورية. تم تقييم التصوير المستمر للهياكل المنفصلة للاحتفاظ بخصائص مركب السليلوز PEEK للخلية الشبكية المطبقة على زراعة الأسنان. تم النظر في مناهج التصميم، باستخدام نمذجة برمجية مختلفة لتحسين مادة نظرة خاطفة لشبكة تقويم العظام من خلال إنشاء توزيع مثالي لكثافة شبكة الخلايا المتغيرة في النموذج الهندسي لزراعة الأسنان. تمت دراسة نموذج التجانس بناءً على تحسين الشبكة الذي نتج عن المرحلة السابقة ونظر في كسور الحجم المختلفة وحجم المسام والكثافة المتغيرة للخلايا الشبكية المختلفة لزراعة الأسنان. تم الحصول على أجزائها المرنة الكافية من خلال طريقة التجانس النموذجية السريعة القائمة على التصميم في خلية الوحدة، وأجريت اختبارات خلايا النشاط الحيوي في وسط مستنبت. كان من الواضح من النتائج التي تم الحصول عليها أن التجانس زاد من صلابة القوس باستخدام نفس الخلية الشبكية المكعبة، والتردد الأساسي الذي تم الحصول عليه مع تحسين الشبكة إلى نتائج أعلى بعد عمليات الزرع. يمكن تطبيق هذه النتيجة بسهولة باستخدام هذه الهياكل الشبكية ومركب PEEK في زراعة الأسنان للصناعات والمؤسسات الطبية كمواد خفيفة الوزن وأفضل متوافقة حيوياً مقارنة بالمعادن.<br/>L'étude décrit une technique d'homogénéisation consistant à développer un composite de polyéther éther cétone (PEEK) et d'hydroxyapatite de calcium (cHAp) avec des structures de réseau à motifs périodiques. La représentation continue des structures discrètes a été évaluée pour conserver les propriétés composites de la cellulose PEEK de la cellule du réseau appliquée aux implants dentaires. Des approches de conception ont été envisagées, en utilisant différentes modélisations logicielles pour optimiser le matériau de réseau orthotrope PEEK en établissant une distribution de densité de réseau cellulaire variable optimale dans le modèle géométrique d'un implant dentaire. Un modèle d'homogénéisation a été étudié sur la base de l'optimisation du réseau résultant de l'étape précédente et a pris en compte différentes fractions volumiques, la taille des pores et la densité variable pour différentes cellules du réseau pour les implants dentaires. Leurs fatigues élastiques adéquates ont été obtenues par la méthode d'homogénéisation de modèle basée sur la conception rapide de la cellule unitaire, et les tests de cellules de bioactivité ont eu lieu dans un milieu de culture. Il était évident d'après les résultats obtenus que l'homogénéisation augmentait la rigidité du support en utilisant la même maille cubique, et la fréquence fondamentale obtenue avec l'optimisation du réseau à des résultats plus élevés après les implants. Ce résultat peut facilement être appliqué en utilisant ces structures en treillis et le composite PEEK dans les implants dentaires pour les industries et les institutions médicales en tant que matériaux légers et mieux biocompatibles par rapport aux métaux.<br/>