(Đồ án) đồ án nghiên cứu cử nhân nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng kết cấu cấy ghép xương nhân tạo trong cơ thể người

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CỬ NHÂN
Nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn
để mô phỏng kết cấu cấy ghép xương nhân
tạo trong cơ thể người
PHAN ĐÌNH HƯNG


BÙI MINH ĐỨC


Ngành Cơ điện tử
Chuyên ngành Hệ thống Cơ điện tử thông minh và robot

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thị Kim Cúc

Bộ mơn:
Viện:

Cơ khí chính xác và Quang học
Cơ khí

HÀ NỘI, 7/2021

h

Chữ ký của GVHD

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Biểu mẫu của Đề tài/khóa luận tốt nghiệp theo qui định của viện, tuy nhiên cần
đảm bảo giáo viên giao đề tài ký và ghi rõ họ và tên.
Trường hợp có 2 giáo viên hướng dẫn thì sẽ cùng ký tên.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

h


Lời cảm ơn
Em xin gửi lần cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy cô, anh, chị, các bạn
và tập thể LAB 307, đặc biệt cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Kim Cúc, đã
nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án. Với những hiểu
biết còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em khơng tránh khỏi những thiếu sót, kính
mong các thầy cơ giáo cùng các bạn góp ý để đồ án của em được hoàn thiện hơn
và trở thành một tài liệu tham khảo cho các bạn quan tâm đến vấn đề về cơ y sinh
sau này.
Tóm tắt nội dung đồ án
Hiện nay, các chấn thương liên quan liên quan đến sọ mặt ngày càng gia tăng do
nhiều nguyên nhân khác nhau như: bẩm sinh, tai nạn, … Những tổn thương này
liên quan trực tiếp đến sức khỏe và thẩm mĩ của người bệnh, địi hỏi phải có
những phẫu thuật chỉnh hình. Cùng với Y tế, Kỹ thuật y sinh là một lĩnh vực gần
gũi với kỹ thuật vì nó thường được sử dụng các công cụ truyền thống của kĩ thuật
để phân tích hệ thống sinh học. Trong những thập kỉ qua, phương pháp phần tử
hữu hạn đã trở thành một cách để thay thế việc để đánh giá phẫu thuật trong cơ
thể. Ưu điểm chính của tính tốn bằng phương pháp số trong cơ sinh học là có
thể xác định phản ứng bên trong của một giải phẫu mà không bị hạn chế về đạo

đức. Điều này dẫn đến mơ hình phần tử hữu hạn dần trở thành phổ biến trong
một số lĩnh vực Cơ Sinh học.
Trong đề tài này, em thực hiện nghiên cứu tổng quan về phương pháp phần tử
hữu hạn trong Cơ Sinh học, thiết kế, kiểm bền, nghiên cứu các yếu tố liên quan
đến một số cấy ghép chấn hình sọ mặt. Theo đó, đồ án em được chia thành 4
chương chính với các nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan đề tài – Mơ hình sọ mặt, các chấn thương, phương pháp
phần tử hữu hạn trong cấy ghép y tế, vật liệu sinh học, công nghệ chế tạo.
Chương 2: Điều kiện biên – Mơ hình phần tử hữu hạn, chia lưới, cơ lực của
xương sọ và xương hàm.
Chương 3: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm - Đưa ra kết quả phân bố
chuyển vị, ứng suất từ đó kết luận độ bền của mảnh vá, kết quả cấy ghép trên
bệnh nhân.
Chương 4: Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo – Đánh giá những
kết quả làm được cũng như những vấn đề còn chưa thể giải quyết trong đồ án, và
đưa ra phương hướng nghiên cứu tiếp theo
Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên

h


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. CÁC QUI ĐỊNH CHUNG...........................................................1
1.1

Giới thiệu chung........................................................................................1

1.2

Sử dụng các định dạng văn bản theo qui định...........................................1
1.2.1

Qui định về căn lề văn bản.........................................................1

1.2.2

Tạo chương mới.........................................................................3

1.2.3

Tạo tiêu đề các cấp.....................................................................3

1.2.4

Định dạng phần nội dung các chương, mục................................3

1.2.5

Hình vẽ - Đồ thị..........................................................................4

1.2.6

Bảng biểu...................................................................................6

1.2.7

Phương trình...............................................................................8

1.3

Tạo tham chiếu chéo giữa các đoạn văn bản...........................................11

1.4

Tạo danh mục tài liệu tham khảo.............................................................11

1.5

Cập nhật lại các chú thích và tham chiếu.................................................15

1.6

Tạo danh mục hình vẽ.............................................................................15

1.7

Tạo danh mục bảng biểu..........................................................................16

1.8

Tạo trang mục lục....................................................................................16

1.9

Qui cách đóng quyển...............................................................................17

CHƯƠNG 2. SỬ DỤNG CÁC BIỂU ĐỒ........................................................19
2.1

Giới thiệu về biểu diễn bằng đồ thị..........................................................19

2.2

Đồ thị kiểu bánh......................................................................................19

2.3

Đồ thị kiểu thanh ngang..........................................................................20

2.4

Đồ thị kiểu cột đứng................................................................................20

2.5

Đồ thị kiểu đường....................................................................................21

2.6

Đồ thị kiểu diện tích................................................................................21

CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN.................................................................................23
3.1

Kết luận...................................................................................................23

3.2

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai.............................................23

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................24
PHỤ LỤC...........................................................................................................25

h


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Đồ thị kiểu bánh...................................................................................19
Hình 2.2 Đồ thị kiểu thanh ngang.......................................................................19
Hình 2.3 Đồ thị kiểu cột đứng.............................................................................20
Hình 2.4 Đồ thị kiểu đường.................................................................................20
Hình 2.5 Đồ thị kiểu diện tích.............................................................................21

h


DANH MỤC HÌNH VẼ
Bảng 1.1 Thống kê các thiết bị và giá thành..........................................................8

h


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về hộp sọ
1.1.1 Chấn thương sọ mặt
Khuyết tật hộp sọ là một vấn đề thường gặp trong phẫu thuật. Khuyết tật
hộp sọ đến từ nhiều nguyên nhân như là do bẩm sinh, tai nạn, u sọ não, … Trong
những nguyên nhân kể trên, tại nạn là một nguyên nhân hàng đầu dẫn đến tổn
thương sọ não. Theo thống kê, tai nạn giao thông đường bộ là một nguyên nhân

gây tử vong hàng đầu trên thế giới, khiến khoảng 1,35 triệu người tử vong. Chấn
thương vùng đầu là một nguyên nhân chính, và để lại hậu quả nặng nề. Gãy
xương sọ có thể bao gồm từ gãy xương mũi đơn giản (1 điểm trong Thang điểm
đánh giá thương tật tóm tắt, được viết tắt là AIS – Abbreviated Injury Scale) đến
5-6 điểm cho gãy xương sọ lõm thường dẫn đến tụ máu dưới màng cứng (SDH),
với các xương làm xuyên thủng và làm rách tĩnh mạch trong khoang dưới màng
cứng, trong trường hợp xấu nhất, vỡ nát hộp sọ. Có nhiều loại gãy xương sọ
nhưng một nguyên nhân chính là do va đập hoặc một cú đánh mạnh vào đầu, đủ
để làm gãy xương. Loại gãy xương phụ thuộc vào lực tác dụng, vị trí bị tác động
và hình dạng của vật thể tác động. Gãy xương sọ có thể xảy ra mà khơng có dấu
hiệu nào về tổn thương não. Tuy nhiên, tỉ lệ tụ máu nội sọ cao hơn ở những bệnh
nhân gãy xương sọ.
Bảng 1-1. Bảng điểm AIS

Điểm AIS
1
2
3
4
5
6

Tổn thương
Nhẹ
Vừa
Nặng
Nghiêm trọng
Rất nghiêm trọng
Không thể sống được

1.1.2 Cấu trúc hộp sọ
Hộp sọ là một cấu trúc phân lớp bao gồm một lớp xương đặc bên trong và
một lớp xương đặc bên ngoài được ngăn cách bởi một lớp xương xốp (lớp diplöe
xốp).

1

h


Hình 1-1. Cấu trúc xương sọ

Khi một lớp chịu tải theo chiều ngang, bốn loại cơ chế có thể dẫn đến độ
lệch ngang: biến dạng màng (membreane deformation), biến dạng uốn (bending
deformation), biến dạng cắt (shear deformation), nén và thủng lõi cục bộ. Xương
đặc là một mơ vơi hóa dày đặc, tạo thành lớp ngoài của tất cả các xương và bao
quanh xương xốp. Nhìn chung, xương khơng dễ uốn cũng không dễ gãy, mà là sự
kết hợp của cả hai, thể hiện tính chất hầu như giịn (quasi-brittle). Phần khống
chất khơng bền / giịn hơn và phần hữu cơ (collagen) dễ uốn hơn. Tính chất gần
như giịn (quasi-brittle) thể hiện sự giảm dần ứng suất sau khi đạt được ứng suất
chảy hoặc giới hạn đàn hồi của vật liệu.
Độ dày hộp sọ ngoài mặt ngoài và tổng độ dày hộp sọ đều khơng liên quan
nhiều đến giới tính, cân nặng hoặc chiều cao của một cá nhân. Ngoài ra, một mối
tương quan có ý nghĩa thống kê giữa độ dày lớp trabecular (xương trabecular là
những thanh khoáng chất tạo thành một mạng lưới ba chiều trong ma trận của
phần bên trong của xương dài) và tổng độ dày hộp sọ đã được tìm thấy. Theo
Lillie và cộng sự, các giá trị được báo cáo về độ dày vỏ não nằm trong khoảng từ
1 đến 2,6 mm, thay đổi theo độ tuổi và giới tính (20 đến 99 tuổi)
Hộp sọ của con người bao gồm khoảng 22 xương, chủ yếu được nối với
nhau bằng các khớp xương, được gọi là chỉ khâu. Chỉ khâu là các khớp linh hoạt

cho phép xương phát triển đồng đều khi não phát triển và hộp sọ mở rộng. Tất cả
các xương sọ được nối với nhau bằng chỉ khâu sọ, có thành phần chủ yếu là
collagen. Có mười ba vết khâu trong hộp sọ người, bốn trong số đó được coi là
những đường khâu chính: đường khâu thân, đường khâu sagittal, đường khâu vảy
và đường khâu lambdoid. Các tài liệu thiếu sự nhất trí về tính chất cơ học của chỉ
khâu sọ. Điều này là do sự phân bố không gian khác nhau của các sợi collagen,
dẫn đến hình dạng và tính chất cơ học khác nhau. Những đặc tính này thay đổi
đáng kể theo tuổi, ví dụ, mơ đun đàn hồi của chỉ khâu sọ được báo cáo là từ 50
đến 200 MPa ở trẻ sơ sinh và 4 GPa ở người lớn.
Để hiểu rõ hơn về chấn thương đầu do tai nạn, các mơ hình cơ học và tốn
học của đầu người đã được phát triển. Điều cần thiết cho sự phát triển của các mơ
hình này là nghiên cứu tính chất cơ học của các vật liệu và cấu trúc cấu thành nên

h


đầu con người. Thành phần xây dựng chính của mơ xương là sợi collagen khống
hóa (ossein). Các sợi collagen ở lớp ngoài và lớptrong được sắp xếp theo thứ bậc.
Ngược lại, trong xương trabecular, các sợi collagen định hướng không đều và cấu
trúc xốp. Vị trí của các sợi trong xương ảnh hưởng đến tính chất cơ học của nó.
1.2 Tổng quan về phương pháp phương tử hữu hạn
1.2.1 Khái niệm chung
Trong cơ học vật rắn, với các kết cấu phức tạp việc giải các bài toán cơ học
chúng ta thường gặp các bài toán yêu cầu xác định trường giá trị của một hay
nhiều đại lượng nào đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, …) trong một miền xác
định. Khi xây dựng mơ hình tốn học cho kết cấu thực tế thường nhận được một
hay một hệ phương trình vi phân. Với miền xác định, điều kiện biên và các ngoại
lực phức tạp thì việc giải quyết bài tốn bằng phương pháp giải tích là khơng khả
thi mà cần phải sử dụng các phương pháp số như phương pháp sai phân hữu hạn,
phần tử hữu hạn, phần tử biên, …

Trong các phương pháp trên, phương pháp phần tử hữu hạn là một phương
pháp mạnh trong việc phân tích kết cấu cơ học.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số, đặc biệt có hiệu quả
để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó dựa
trên ý tưởng chia một vật thể phức tạp thành các phần tử nhỏ có kết cấu đơn giản.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài
toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con V j (phần tử). Các miền
này được liên kết với nhau bởi các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân
tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng
phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các
phần tử.
Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị
của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự
do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài tốn.
Ưu điểm của phương pháp phần tử hữu hạn là có thể dùng nó để giải các
bài tốn kĩ thuật phức tạp, dễ dàng cơng thức hóa và số hóa bài tốn kỹ thuật, có
thể ứng dụng để giải các bài toán phi tuyến. Đồng thời, phương pháp phần tử hữu
hạn có các bước giải được hệ thống hóa rõ ràng nên được ứng dụng rộng rãi. Tuy
nhiên nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn là kết quả tìm được chỉ
mang tính xấp xỉ và phụ thuộc vào các dạng phần tử và mật độ các phần tử được
chọn. Để khắc phục những nhược điểm này ta có thể áp dụng các phương pháp
kiểm tra như tính tốn lại bằng tay hay dùng thí nghiệm kiểm chứng lại.
1.2.2 Nội dung của phương pháp
Để giải một bài toán biên trong miền V, ta chia thành một số hữu hạn các
miền con Ve (e = 1, ..., n) sao cho hai miền con bất kì khơng giao nhau và chỉ có
thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu
hạn.

h

Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài tốn biên ban đầu trong một không gian
hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên tồn miền V.
Có thể chọn cơ sở của khơng gian này gồm các hàm số ψ 1(x), ..., ψn(x) có giá trị
trong một số hữu hạn phần tử ở gần nhau. Nghiệm xấp xỉ của bài tốn ban đầu
được tìm dưới dạng:
c 1 ψ 1 ( x )+ …+c n ψ n ( x )

PT 1-1

trong đó các c k làcác số cần tìm.
Thơng thường người ta đưa việc tìm các c k về việc giải một phương trình
đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số
đường song song nằm sát với đường chéo chính là khác khơng) nên dễ giải. Có
thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ
các miền có dạng hình học phức tạp. Phương pháp phần tử hữu hạn có thể dùng
để giải gần đúng các bài tốn biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình.
Thơng thường với bài tốn cơ vật rắn biến dạng và cơ kết cấu tùy theo ý
nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân tích bài tốn theo 3 dạng mơ
hình sau:
 Theo mơ hình tương thích: Người ta xem chuyển vị là đại lượng cần tìm
trước và hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong
phân tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ
sở nguyên lý thế năng toàn phần dừng, hay ngun lý biến phân Lagrange.
 Theo mơ hình cân bằng: Hàm xấp xỉ được biểu diễn dạng gần đúng phân
bố của ứng suất hay nội lực trong phần tử. Các ẩn số được xác định từ hệ
phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý năng lượng hệ toàn phần dừng
hay nguyên lý biến phân về ứng suất (Nguyên lý Castigliano).
 Theo mơ hình hỗn hợp: Coi các đại lượng chuyển vị ứng suất là 2 yếu tố
độc lập. Các hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển

vị lẫn ứng suất trong phân tử. Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình
thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner.
Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải một phương trình đại số vừa nhận
được thì cũng có nghĩa là ta tìm được các xấp xỉ biểu diễn đại lượng cần tìm
trong tất cả các phần tử. Và từ đó cũng tìm ra được các đại lượng cịn lại.
1.2.3 Trình tự phân tích bài tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn
Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát
Trong bước này miền khảo sát V được chia thành các miền con V e hay
thành các phần tử có dạng hình học thích hợp.

h


Hình 1- 2. Mơ hình các phần tử đơn giản

Với các bài tốn cụ thể số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng
như kích thước các phần tử được xác định rõ. Số điểm nút của mỗi phần tử không
lấy được một cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn
Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp
Vì đại lượng cần tìm chưa biết, nên ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho
đơn giản đối với tính tốn bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội
tụ và thường chọn ở dạng đa thức.
Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể cả các đạo hàm của
nó tại các nút của phần tử {qe}.
Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử
[Ke] và vectơ tải phần tử {Fe}
Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc
các phưong pháp biến phân, …

h

Kết quả nhận được có thể biểu dưới dạng một phương trình phần tử:

[ K e ] {qe }= { Fe }

PT 1-2

Bước 4: Ghép nối các phần tử trên mơ hình tương thức mà kết quả là hệ thống
phương trình
PT 1- 3
[ K ] { q }= { F }
Trong đó:
[ K ] : Ma trận độ cứng chung (hay ma trận hệ số toàn miền)
{ q }: Vectơ tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút (còn gọi là
vectơ chuyển vị nút chung)
{ F }: Vectơ các số hạng tự do tổng thể (hay vectơ tải chung)
Rồi sử dụng điều kiện biên của bài tốn, mà kết quả nhận được là hệ
phương trình sau:
PT 1-4
[ K ¿ ] { q ¿ }= { F ¿ }
Đây chính là phương trình hệ thống hay cịn gọi là hệ phương trình để giải
Bước 5: Giải phương trình đại số
[ K ¿ ] { q ¿ }= { F ¿ }
Với bài tốn tuyến tính việc giải hệ phương trình đại số là khơng khó
khăn. Kết quả là tìm được chuyển vị của các nút.
Nhưng với bài tốn phi tuyến thì nghiệm sẽ đạt được sau một chuỗi các
bước lặp mà sau mỗi bước ma trận cứng [K] thay đổi (trong bài toán phi tuyến
vật lý) hay vectơ lực nút {P} thay đổi (trong bài toán phi tuyến hình học).
Bước 6: Hồn thiện: Tính giá trị của các đại lượng còn lại (ứng suất, biến dạng,

…)
1.2.4 Ảnh hưởng của chia lưới đối với các kết quả số
Kết quả tính tốn (biến dạng và ứng suất chuyển vị), thu được bằng phương
pháp phần tử hữu hạn, phụ thuộc vào việc lựa chọn chia lưới. Vì lý do này, có
những tình huống, đặc biệt là trong trường hợp hình học phức tạp khi vấn đề
được giải quyết bằng các phương pháp này cần được nghiên cứu trong một số
biến thể chia lưới và sau đó phân loại kết quả.
Mặt khác, ảnh hưởng của lỗi tăng lên theo số lượng phần tử được sử
dụng. Lỗi số là do lỗi sự cắt bớt, làm tròn và lỗi dữ liệu đầu vào.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của việc chia lưới, phương pháp phổ biến nhất là
chia đôi mắt lưới và so sánh, và nếu kết quả khơng đáng kể thì việc phân tích
được coi là chấp nhận được. Để đạt được hiệu quả các kết quả chính xác hơn
bằng cách tinh chỉnh liên tiếp lưới phần tử hữu hạn, các tiêu chí sau phải được
xem xét:
 Mỗi lưới trước đó sẽ được phản ánh trong lưới mới.

h


 Mỗi điểm của cấu trúc phải ln được tìm thấy trong một phần tử hữu
hạn.
 Hàm xấp xỉ (kiểu phần tử) nên giữ nguyên khi truyền từ phần tử này sang
phần tử khác.

Hình 1- 3. Tinh chỉnh lưới của một số cấu trúc

Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng từ một số phần tử hữu hạn nhất định, kết quả
có thể khơng cịn được cải thiện bằng cách tăng số lượng của chúng và việc thay
đổi loại phần tử hữu hạn được sử dụng trở nên bắt buộc.
Mơ hình thu được bằng cách chia lưới kết cấu thành các phần tử hữu hạn phải

đáp ứng các yêu cầu sau:
 Để thể hiện với đủ độ chính xác về hành vi thực tế của cấu trúc.
 Để cho phép dễ dàng tính tốn các kết quả (chuyển vị, biến dạng, ứng
suất).
 Khơng địi hỏi tốn q nhiều thời gian để chuẩn bị dữ liệu đầu vào hoặc
xử lý kết quả và do sẽ tốn thời gian tương đối dài đối với máy tính và một
phần lớn bộ nhớ của nó.
Một số yêu cầu này đang trở nên ít hạn chế hơn sau khi cải tiến phần mềm và
hiệu suất kỹ thuật của máy tính. Cần nhấn mạnh rằng các chương trình máy tính
có khả năng thực hiện chia lưới tự động, thậm chí có thể thực hiện thậm chí tự
động sàng lọc chia lưới ở những khu vực có độ dốc lớn của ứng suất (biến dạng).
1.2.5 Ứng dụng phần tử hữu hạn và phần mềm
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp tính kết cấu được bắt
đầu nghiên cứu một cách hệ thống và cơ bản từ những năm 1960. Nhưng phải
đến những năm 1980, nhờ sự tiến bộ mạnh mẽ của máy tính điện tử, phương

h


pháp phần tử hữu hạn mới được áp dụng rộng rãi và nhanh chóng chứng tỏ được
ưu thế của mình đối với các ngành công nghiệp như : Xây dựng, cầu đường, chế
tạo máy, đóng tàu... Với sự trợ giúp đắc lực của máy tính và dựa trên cơ sở lý
luận của phương pháp PTHH, hàng loạt các phần mềm tính tốn kết cấu ra đời
như: SAP, COSMOS, NASTRAN, ANSYS, ABAQUS… mở ra một xu hướng
mới : Tự động hóa tính tốn kết cấu
Trong phạm vi đồ án này, em dùng phần mềm ANSYS để áp dụng vào
tính tốn. Giống như các phần mềm khác, ANSYS đem lại những tính năng nổi
bật:
 Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mơ hình cấu trúc rất nhanh và
chính xác cũng như truyền dẫn những mơ hình CAD.

 Thư viện phần tử lớn có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng
phần tử trong mơ hình tính tốn.
 Đa dạng về tải trọng: tập trung, phân bố, nhiệt.
 Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính tốn tối ưu.
 Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất,
trường nhiệt độ, ảnh hưởng của điện từ.
 Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính tốn thử nghiệm.
 Tạo những mẫu kiểm tra cho mơi trường có điều kiện làm việc khó khăn.
 Hệ thống MENU có tính trực giác giúp người dùng có thể định hướng sử
dụng trong suốt q trình ANSYS.
ANSYS có thể được ứng dụng để giải quyết nhiều bài toán phức tạp như:
1.2.5.1. Bài tốn phân tích kết cấu
Phần mềm phân tích cấu trúc của ANSYS cho phép giải quyết các vấn đề
kỹ thuật kết cấu phức tạp và đưa ra các quyết định thiết kế tốt hơn và nhanh hơn.
Với các công cụ phân tích phần tử hữu hạn có sẵn trong bộ phần mềm, người
dùng có thể tuỳ chỉnh và tự động hóa các giải pháp cho các vấn đề về cơ học kết
cấu của mình và tham số hóa chúng để phân tích nhiều tình huống thiết kế.
Người dùng có thể kết nối dễ dàng với các cơng cụ phân tích vật lý khác để có
thể thực hơn. Phần mềm phân tích cấu trúc của ANSYS được sử dụng trong tồn
ngành để cho phép các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế sản phẩm của họ và giảm chi phí
kiểm tra thực tế.
Trong xây dựng, ANSYS giải quyết rất tốt các bài toán liên quan đến cơ
học đất, đàn nhớt, kết cấu xây dựng, hiện tượng nứt do sinh nhiệt trong bê tông,
khảo sát các vật liệu mới trong xây dựng cũng như các loại kết cấu liên hợp mới.

h


1.2.5.2. Bài tốn động lực học biến dạng lớn
Mơ phỏng động lực học biến dạng lớn trong ANSYS giúp cho các cơng ty

có thể giảm thiểu tối đa chi phí sản xuất sản phẩm. Với mơ hình 2D và 3D được
thiết kế từ trước, ANSYS có thể tính tốn ra các giá trị về chuyển vị, ứng suất và
biến dạng khi mơ hình chịu một lực đột ngột. Từ đó người dùng có thể phân tích
độ an tồn của thiết kế. Từ đó có thể tối ưu hóa thiết kế của chính mình.
Trong lĩnh vực cơ khí, ANSUS đang làm rất tốt nhiệm vụ của mình trong
việc mơ phỏng lại các va chạm (như va chạm kiểm bền các đồ bảo hộ, kiểm tra
độ bền vỏ ô tô, các loại tàu, kết cấu, …).

Hình 1-5. Mô phỏng va chạm của đầu đạn với tấm thép

1.2.5.3. Bài tốn phân tích nhiệt
Phân tích nhiệt trong ANSYS giúp người dùng đánh giá tác dụng nhiệt lên
bề mặt sản phẩm cũng như các biến đổi ở các khu vực xung quanh. Với khả năng
phân tích nhiệt, hiện tại ANSYS được ứng dụng nhiều trong các bài tốn tính
tính độ bền mỏi của mối hàn, đánh giá sự biến đổi nhiệt và ứng suất ở các khu
vực xung quanh mối hàn. Ở lĩnh vực hàng khơng và vũ trụ, ANSYS cịn được sử
dụng để đánh giá tính phù hợp của các lớp vật liệu được bố trí ở ống xả nhiên
liệu để đảm bảo độ bền cho tàu vũ trụ.

Hình 1-6. Mô phỏng đường hàn

1.2.5.4. Bài tốn phân tích điện từ
Mơ phỏng trường điện từ ANSYS giúp người dùng thiết kế các sản phẩm
sáng tạo điện và điện tử nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Trong thế giới ngày

h


nay của các thiết bị điện tử hiệu năng cao và các hệ thống điện khí tiên tiến,
những ảnh hưởng của các trường điện từ trên các mạch và hệ thống khơng thể bỏ

qua. Phần mềm ANSYS có thể mơ phỏng độc đáo hiệu suất điện từ qua thiết kế
thành phần, mạch và hệ thống và có thể đánh giá nhiệt độ, độ rung và các hiệu
ứng cơ học quan trọng khác. Dịng thiết kế điện từ khơng đồng bộ này giúp người
dùng đạt được thành công thiết kế hệ thống tiên tiến cho các hệ thống truyền
thông tiên tiến, các thiết bị điện tử tốc độ cao, các thành phần cơ điện và các hệ
thống điện tử.

Hình 1- 7. Mơ phỏng kiểm bền các mạch điện tử

1.2.5.5. Bài tốn động lực học dịng chảy
Động lực học tính tốn (CFD) là một cơng cụ có tính linh hoạt tuyệt vời,
tính chính xác và độ bao quát của ứng dụng. Tuy nhiên, thực sự CFD, cung cấp
thông tin chi tiết giúp người dùng tối ưu hóa thiết kế của người dùng, có thể nằm
ngoài tầm với của người dùng trừ khi người dùng chọn phần mềm một cách cẩn
thận. Để có được kết quả CFD một cách chính xác, người dùng cần phải nghiên
cứu nó nghiêm túc. ANSYS CFD vượt xa các kết quả định tính để cung cấp dự
đốn định lượng chính xác về tương tác và tương tác chất lỏng. Những hiểu biết
này tiết lộ cơ hội không mong đợi cho sản phẩm của người dùng-cơ hội mà thậm
chí cả các nhà phân tích kỹ thuật có thể bỏ lỡ.
Trong hàng khơng, tàu thủy; ANSYS có khả năng tính tốn được dịng
chảy tác động lên vật thể từ đó chúng ta có thể dễ dàng thiết kế hình dáng cho tối
ưu nhất và còn rất nhiều ứng dụng khác.
Trong lĩnh vực dầu khí, ANSYS hỗ trợ đắc lực cho chúng ta trong việc
thiết kế chế tạo kết cấu giàn khoan, tính tốn áp suất tác động vào thành ống dầu
khí, độ xâm thực của nước biển đối với vật liệu giàn khoan.

Hình 1-8. Tính tốn dịng chảy qua động cơ và sức cản của nước

h

1.2.6 Ứng dụng của phần tử hữu hạn trong cấy ghép bộ phận giả trên cơ
thể người
Ngoài những ứng dụng kể trên, cùng với các kĩ thuật y sinh hiện đại, phần
tử hữu hạn cũng giúp đánh giá các kết cấu cấy ghép bộ phận giả (prothetic
implant) trong cơ thể con người. Phần tử hữu hạn giúp đánh giá độ bền và
phương án phẫu thuật cho các bác sĩ. Từ đó, nó giúp giảm thiểu rủi ro trong phẫu
thuật, giảm thời gian thực hiện. Hiện tại, phương pháp phần tử hữu hạn cũng
được áp dụng vào các cấy ghép như: thay thế khớp gối, thay thế khớp thái dương
hàm, mảnh vá hộp sọ, … Cụ thể, những thực hiện trên các mơ hình khớp giả thái
dương hàm và mảnh vá hộp sọ sẽ được trình bày ở các chương sau.

Hình 1-9. Phương pháp phần tử hữu hạn trong cấy ghép khớp gối giả

1.2.7 Đánh giá chất lượng lưới chia trên ANSYS
Mật độ lưới là một số liệu quan trọng được sử dụng để kiểm sốt độ chính
xác (loại phần tử và hình dạng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác). Giả sử khơng
có điểm kỳ dị nào, thì lưới mật độ cao sẽ tạo ra kết quả với độ chính xác cao. Tuy
nhiên, nếu một lưới q dày đặc, nó sẽ địi hỏi một lượng lớn bộ nhớ máy tính và
thời gian chạy dài, đặc biệt là đối với các lần chạy nhiều lần, điển hình là các
phân tích phi tuyến và phân tích q trình chuyển tiếp.
ANSYS cung cấp một số cách để kiểm tra chất lượng lưới chia:
 Chỉ số lưới (Mesh metrics)
 Phân tích hội tụ (Convergence Analysis)
 Kết quả thực nghiệm hoặc giá trị lý thuyết. Tuy nhiên, việc thu thập,
xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả lý thuyết rất khó để xây
dựng và địi hỏi nhiêu thời gian. Vì vậy, các phương tiện khác để đánh
giá chất lượng lưới là cần thiết.

h

1.2.7.1. Đánh giá qua chỉ số lưới (Mesh metrics)
Đánh giá qua chỉ số lưới (Mesh metrics): “Chỉ số lưới” là một trong
những tính năng hữu ích nhất trong việc xác định hình dạng và kích thước chính
xác của các phần tử. Nó có thể được đánh giá thơng qua các chỉ số như: Hệ số co
(Aspect ratio), Hệ số Jacobi (Jacobian ratio) và Hệ số lệch (Skewness).
Hệ số co (Aspect ratio)
Hệ số co định lượng chất lượng của các phần tử, trong đó 1 là hệ số phần tử tứ
diện có hình dạng hồn hảo và hình dạng phần tử xấu hơn với hệ số co cao hơn.
(càng gần 1 thì càng tốt). Có thể thấy điều này ở phân tử bên trái hình 2-9. Hệ số
co được định nghĩa là tỷ lệ giữa chiều dài ngắn nhất của phần tử với chiều dài dài
nhất của phần tử.

Hình 1-10. Hệ số co (Aspect ratio)

Hệ số Jacobi (Jacobian ratio)
Hệ số Jacobi là thước đo độ lệch của một phần tử nhất định so với một phần tử có
hình dạng lý tưởng. Giá trị jacobian nằm trong khoảng từ -1,0 đến 1,0, trong đó
1,0 đại diện cho một phần tử có hình dạng hoàn hảo.

Hình 1-11. Hệ số Jacobi

h


Hệ số lệch (Skewness)
Hệ số lệch là thước đo góc của chất lượng phần tử liên quan đến góc của các loại
phần tử lý tưởng. Đây là một trong những thước đo phẩm chất lượng chính của
chia lưới phần tử hữu hạn. Hệ số lệch xác định mức độ gần với lý tưởng (tức là

mặt hoặc ơ vng góc bằng nhau). Phạm vi độ lệch có thể chấp nhận được là "0
đến 0,5". Đối với phần tử tam giác nó được tính theo cơng thức:
Skew Angel=1−Max (

90 °−α i
)
90 °

PT 1 5

trong đó α i là góc giữa đường trung bình và đường trung tuyến tam giác
Đối với phần tử tam giác nó được tính theo cơng thức:
|90 °−α|
PT 1- 5
Skew Angel=1−(

90 °

)

Hình 1- 12. Hệ số lệch (Skewness)

1.2.7.2. Đánh giá bằng phân tích hội tụ
Phương pháp cơ bản và chính xác nhất để đánh giá chất lượng lưới là tinh
chỉnh lưới cho đến khi kết quả, chẳng hạn như ứng suất tối đa tại một vị trí cụ thể
hội tụ (nghĩa là nó khơng thay đổi đáng kể với mỗi lần tinh chỉnh). Một ví dụ
được thể hiện trong Hình 1-13, trong đó mơ hình giá đỡ 2D bị ràng buộc ở đầu
trên cùng của nó và chịu tải trọng cắt ở cạnh phía dưới bên phải. Điều này tạo ra
ứng suất cực đại trong miếng phi lê, như được minh họa. Đường cong cho thấy
rằng khi mật độ lưới tăng lên, ứng suất đỉnh trong miếng phi lê tăng lên. Cuối

cùng, việc tăng mật độ lưới hơn nữa chỉ tạo ra sự gia tăng nhỏ về ứng suất đỉnh.
Trong trường hợp này, sự gia tăng từ 1134 phần tử trên một đơn vị diện tích lên
4483 phần tử trên một đơn vị diện tích chỉ làm tăng 1,5% ứng suất.

h


Hình 1- 13. Mơ hình sau khi tinh chỉnh lưới

Vấn đề với phương pháp này là nó yêu cầu nhiều thao tác chia lưới lặp đi
lặp lại nhiều lần. Mặc dù phương pháp này phù hợp với các mơ hình đơn giản,
nhưng nó có thể rất tốn thời gian đối với các mơ hình phức tạp. Tuy nhiên, trong
ANSYS, thao tác này có thể thực hiện dễ dàng một cách tự động bằng cách sử
dụng tùy chọn công cụ Hội tụ (Convergence).

Hình 1- 14. Lịch sử hội tụ được phân tích tự động trong ANSYS

Về cơ bản, cơng cụ hội tụ làm tăng mật độ lưới và kiểm tra kết quả giữa
mỗi bước. Kết quả có thể dễ dàng thấy được những thay đổi như thế nào tùy
thuộc vào số lượng phần tử.

h


1.2.8 Mơ hình hộp sọ
Nhiều các thí nghiệm thực hiện trên hộp sọ người và động vật đã cung cấp
dữ liệu có giá trị, kết hợp với sự phát triển của các kỹ thuật tính tốn, dẫn đến sự
phát triển của các mơ hình hộp sọ số, chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM). Mặc dù bao gồm một quy trình để xác định các giải gần đúng cho
các vấn đề vật lý hoặc toán học, nhưng nó u cầu biểu diễn chính xác các dạng

hình học phức tạp, các điều kiện biên và các định luật cấu thành phù hợp. Các mơ
hình này đã được sử dụng trong một số lĩnh vực, từ nghiên cứu chấn thương thể
thao đến mô phỏng lại tai nạn giao thông và nghiên cứu pháp y. Các mơ hình
phần tử hữu hạn của hộp sọ cũng đã được sử dụng trong nghiên cứu hệ thống cấy
ghép tạo hình sọ cho hộp sọ người.

Hình 1- 15. Mơ hình phần tử hữu hạn 2D đầu tiên

Một trong những nỗ lực đầu tiên để mơ hình hóa hành vi phản ứng của đầu
người thơng qua phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện bởi Hardy và
Marcal, những người đã phát triển mơ hình phần tử hữu hạn 2D của hộp sọ, sau
đó được Shugar đã cải tiến, người đã thêm một bộ não đàn hồi. gắn chặt vào hộp
sọ. Kể từ đó, nhiều mơ hình phần tử hữu hạn đầu (FEHM) đã được phát triển,
phát triển theo hướng các mơ hình phức tạp hơn được cấu thành bởi nhiều đặc
điểm nội sọ hơn và được mơ hình hóa bằng các luật cấu thành phi tuyến tính
phức tạp. Tuy nhiên, phần lớn sự chú ý đã được dành cho não và các cấu trúc nội
sọ khác. Hộp sọ, mặc dù đóng vai trị chính trong các tác động trực tiếp vào đầu,
nhưng thường bị bỏ qua và đơn giản hóa. Thơng thường, ít nhất một trong những
giả thiết đơn giản sau đây có thể được tìm thấy trong tài liệu nghiên cứu: hộp sọ
dày liên tục, vật liệu hộp sọ đồng nhất, tác động cơ học đàn hồi tuyến tính và đơi
khi thiếu xác nhận đối với các thí nghiệm liên quan đến tác động cơ học của hộp
sọ khi chịu tải trọng mà khơng phải sự lan truyền đứt gãy của nó. Trong một số
cơng trình hiện tại, các tác giả cố gắng nâng cao tính hiện đại bằng cách quan tâm
tất cả các điểm này, bao gồm độ dày thay đổi, bao gồm các chỉ khâu, và phân

h


đoạn của xương nhỏ và diplöe (tất cả đều được mơ hình hóa bằng các phần tử lục
diện), …

1.3 Vật liệu
1.3.1 Giới thiệu
Cấy ghép có nguồn gốc từ những người Ai Cập đầu tiên và các nền văn hóa
Nam Trung Mỹ và với tất cả những phát triển trong khoa học vật liệu và sinh
học, chúng ta đã đi được một chặng đường dài. Những cải tiến cả về chất lượng
và số lượng của vật liệu cấy ghép đã làm cho phương thức điều trị này trở nên rất
hứa hẹn, đang nảy nở và được thực hành cao trong thời đại ngày nay. Những ca
cấy ghép răng bằng đá và ngà voi lâu đời nhất đã được báo cáo ở Trung Quốc và
Ai Cập. Ngoài ra vàng và ngà voi cấy ghép nha khoa đã được báo cáo trong thế
kỷ 16-17. Kim loại cấy ghép vàng, chì, Iridium, Tantali, thép khơng gỉ và hợp
kim cobalt cũng được đề cập trong những năm đầu thế kỷ 20. Giữa hai giai đoạn
này, nhiều loại polyme, bao gồm polyurethane trọng lượng phân tử siêu cao,
polyamide, nhựa polymethylmethacrylate, polytetrafluoroethylene và
polyurethane, đã được sử dụng làm chất cấy ghép nha khoa. Trong thời đại hiện
nay, do cơng trình nghiên cứu sâu rộng và những tiến bộ trong lĩnh vực vật liệu
sinh học có sẵn cho cấy ghép nha khoa, các vật liệu mới hơn đã ra đời như
zirconia, roxolid, cấy ghép titan biến đổi bề mặt. Những vật liệu này không chỉ
đáp ứng các u cầu về chức năng mà cịn có tính thẩm mỹ cao. 
1.3.2 Các tính chất của vật liệu cấy ghép
Thuộc tính số lượng lớn:
 Mơ-đun đàn hồi: Vật liệu cấy ghép có mơ-đun đàn hồi tương đương với
xương (18 GPa) phải được lựa chọn để đảm bảo phân bố ứng suất đồng
đều hơn khi cấy ghép và giảm thiểu chuyển động tương đối tại nơi xương
cấy ghép.
 Độ bền kéo, nén và cắt: Vật liệu cấy ghép phải có độ bền kéo và nén cao
để ngăn ngừa gãy xương và cải thiện độ ổn định chức năng. Sự truyền ứng
suất được cải thiện từ mô cấy đến xương được báo cáo là tăng sức chịu cắt
giữa các bề mặt và giảm ứng suất trong mô cấy.
 Độ bền chảy, độ bền mỏi: Vật liệu cấy ghép cần có độ bền cao và độ bền
mỏi để ngăn ngừa sự gãy giòn khi chịu tải theo chu kỳ.

 Độ dẻo: Theo ADA, độ dẻo tối thiểu là 8% là bắt buộc đối với cấy ghép
nha khoa. Độ dẻo trong vấy ghép là cần thiết để tạo đường nét và định
hình của cấy ghép.
 Độ cứng và độ dẻo dai: Việc tăng độ cứng làm giảm tỷ lệ mài mòn của vật
liệu cấy ghép và tăng độ dẻo dai giúp ngăn ngừa gãy xương cấy ghép.
Tính chất bề mặt:
Sức căng bề mặt và năng lượng bề mặt: Nó quyết định khả năng thấm ướt của
vít cấy bằng cách làm ướt chất lỏng (máu) và độ sạch của bề mặt que

h


cấy. Nguyên bào xương cho thấy khả năng bám dính trên bề mặt cấy ghép được
cải thiện. Năng lượng bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự hấp phụ của protein.
Độ nhám bề mặt: Sự thay đổi độ nhám bề mặt của mô cấy ảnh hưởng đến
phản ứng của tế bào và mô bằng cách tăng diện tích bề mặt của mơ cấy tiếp giáp
với xương và do đó cải thiện sự gắn kết của tế bào với xương.
Wennerberg và các đồng nghiệp đã chia các bề mặt cấy ghép theo độ nhám bề
mặt như: Độ nhám tối thiểu (0,5-1 µm), Độ nhám trung bình (1-2 µm), Thơ (2-3
µm); (2) Bề mặt cấy ghép cũng có thể được phân loại theo kết cấu của chúng
như: kết cấu lõm (chủ yếu bằng cách xử lý phụ gia như lớp phủ hydroxy-apatite
(HA) và phun plasma titan), kết cấu lồi (chủ yếu bằng cách xử lý trừ như khắc và
thổi, phun, làm sạch); và (3) Bề mặt cấy ghép cũng có thể được phân loại theo
định hướng của bề mặt bất thường: Bề mặt đẳng hướng: có bề mặt tương tự
không phụ thuộc vào hướng đo; Bề mặt dị hướng: có hướng rõ ràng và khác nhau
đáng kể về độ nhám.
Tương thích sinh học:
Đây là đặc tính của vật liệu cấy ghép để thể hiện phản ứng thuận lợi trong
môi trường sinh học nhất định trong một chức năng cụ thể. Nó phụ thuộc vào khả
năng chống ăn mịn và độc tính thành phần của các sản phẩm ăn mịn.

Ý nghĩa lâm sàng của ăn mòn: Vật liệu sinh học cấy ghép phải chống ăn
mịn. Ăn mịn có thể dẫn đến bề mặt thơ ráp, làm suy yếu q trình phục hồi, giải
phóng các phần tử từ kim loại hoặc hợp kim, các phản ứng độc hại. Các mơ lân
cận có thể bị đổi màu và các phản ứng dị ứng ở bệnh nhân có thể xảy ra do giải
phóng các nguyên tố.
1.3.3 Các vật liệu thường sử dụng
1.3.3.1. Polyether ether ketone (PEEK)
Polyether ether ketone (PEEK) là một polyme nhựa nhiệt dẻo hữu
cơ không màu trong họ polyaryletherketone (PAEK).
Bảng 1- 2. Tính chất vật lý của PEEK

Khối lượng riêng
Mơ đun đàn hồi (E)
Độ bền kéo
Điểm dịch chuyển lỏng-rắn
Độ nóng chảy

1320 kg/m3
3.6 GPa
90-100 MPa
143oC
343oC

PEEK là
một nhựa
nhiệt
dẻo bán
tinh thể
với các
tính chất

kháng
hóa chất
và
cơ
học
tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Các điều kiện xử lý được sử dụng để đúc PEEK có thể
ảnh hưởng đến độ kết tinh và do đó ảnh hưởng đến tính chất cơ học. Mơ đun đàn
hồi của nó là 3,6 GPa và độ bền kéo là 90 đến 100 MPa. PEEK có điểm chuyển
tiếp lỏng rắn khoảng 143 °C (289 °F) và tan chảy khoảng 343 °C (662 °F). Một
số lớp có nhiệt độ hoạt động hữu ích lên đến 250 °C (482 °F). Nó có khả năng
chống phân hủy nhiệt, cũng như tác động bởi cả mơi trường hữu cơ. Nó hịa tan

h


trong axit sunfuric đậm đặc ở nhiệt độ phòng, mặc dù việc hịa tan có thể mất rất
nhiều thời gian trừ khi polyme ở dạng có tỷ lệ diện tích bề mặt lớn đến khối
lượng, chẳng hạn như bột mịn hoặc màng mỏng. Nó có sức đề kháng cao để phân
hủy sinh học.
Do tính tương thích sinh học, PEEK được coi là một vật liệu sinh học tiên
tiến được sử dụng trong cấy ghép y tế. Yếu tố cốt lõi thúc đẩy sự phát triển của
PEEK như một vật liệu sinh học là nhu cầu cân bằng giữa độ bền và độ cứng:
phát triển một hệ thống cấy ghép đáp ứng các yêu cầu về độ bền cấu trúc của cơ
thể, đồng thời giảm thiểu độ cứng trong nỗ lực giảm nguy cơ che chắn ứng suất.
Theo truyền thống, PEEK được sử dụng trong các ứng dụng điều trị cột sống,
cũng như các ứng dụng sọ não và hàm mặt. Cần phải lưu ý rằng PEEK là một vật
liệu kỵ nước. Do đó, nó khơng liên kết tích cực với mơ, tạo ra các vấn đề tiềm ẩn
liên quan đến sự tích hợp giải phẫu vì các tế bào xương sẽ khơng liên kết với mơ
cấy. Trong khi có một số lớp phủ có thể làm giảm bớt những lo ngại này, PEEK
chưa được phủ vẫn gặp bất lợi trong việc đạt được sự cố định ổn định trong một

khung thời gian ngắn.

Hình 1-16. Mảnh vá hộp sọ được chế tạo bằng PEEK

Hiện nay, PEEK có thể được chế tạo bằng cách in 3D hoặc đùn ép qua các
khuôn đúc.

h


Hình 1- 17. Nhựa PEEK được chế tạo bằng in 3D

1.3.3.2. Polymethyl methacrylate (PMMA)
PMMA là một loại nhựa nhiệt dẻo được chấp nhận về mặt y tế với khả
năng tương thích cao. Nó được sử dụng phổ biến như một vật liệu giống vữa
hoặc để sửa chữa xương đã mất. Mặc dù PMMA là một vật liệu tương thích sinh
học, thành phần metyl methacrylate thơ là một chất gây kích ứng tiềm ẩn. Q
trình đóng rắn cho PMMA là tỏa nhiệt (từ 70 đến 120 ◦C). Điều này có ý nghĩa
quan trọng đối với việc sử dụng trong ống nghiệm, như vậy nhiệt độ có thể dẫn
đến chết mơ xung quanh do hoại tử nhiệt. Ngồi ra, có bằng chứng cho thấy rằng
q trình điều trị PMMA có thể dẫn đến các biến chứng tim phổi (hạ huyết áp).
Tuy nhiên, những đặc tính này liên quan trực tiếp đến việc định hình và đóng rắn
PMMA trong cơ thể (hình thành bàn tay) và có thể được giảm thiểu một cách
hiệu quả thông qua chế tạo trước phẫu thuật (đúc sẵn) hoặc tạo khn trong phẫu
thuật bên ngồi bệnh nhân (tạo khuôn).

Hình 1-18. Mảnh vá PMMA được chế tạo bằng khuôn đúc

h