اسم الباحث : قاسم محمد جابر
اسم المشرف : أ.د. محسن عبد الله الشمري ;أ.د. عماد قاسم حسين
الكلمات المفتاحية :
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة الميكانيكية
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
غالبًا ما يرتبط ألم أسفل الظهر بأنزلاق الأقراص الفقرية القطنية، وخاصةً عند مستوى الفقرتين القطنيتين الرابعة والخامسة. قد تتفاقم هذه الحالة لدرجة تتطلب إجراءات جراحية مثل استبدال القرص. ومع ذلك، فإن العديد من مواد الأقراص الاصطناعية الشائعة الاستخدام، مثل المعادن والبوليمرات الصلبة، لا تحاكي بنجاح السلوك البيوميكانيكي للأقراص الطبيعية. غالبًا ما يؤدي هذا التباين إلى مشاكل مثل تركيز الإجهاد، وانخفاض المرونة، وضعف التكامل مع الأنسجة المجاورة. في هذه الدراسة، يُقترح حل بديل من خلال تطوير قرص اصطناعي باستخدام مطاط السيليكون، وهو مرن ومتوافق حيويًا، وتعزيزه بألياف السليلوز الطبيعية. الهدف هو تحسين الخصائص الميكانيكية لمادة مطاط السيليكون باستخدام مادة مضافة صديقة للبيئة. تم فحص فعالية هذا المركب من خلال كل من التجارب المعملية وتحليل العناصر المحدودة (FEM). تم تحضير اثني عشر تركيبة باستخدام مطاط السيليكون المبركن بدرجة حرارة الغرفة (RTV) الممزوج بألياف السليلوز بثلاثة أطوال (3 مم، 5 مم، و7 مم) وأربعة نسب ألياف (2%، 4%، 6%، و8%). أُجريت اختبارات ميكانيكية قياسية للشد والتمزق والضغط والمرونة وفقًا لمواصفات ASTM. صُنع نموذج أولي لقرص يمثل المستوى L4-L5 باستخدام قالب PLA+ مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، بأبعاد قطر 47.5 مم وسمك 15.5 مم. من بين العينات، تم تحقيق أفضل النتائج باستخدام المركب الذي يحتوي على ألياف 5 مم بنسبة 4% وزنًا. أظهر قوة شد 3900 كيكا باسكال، ومقاومة تمزق 1.35 نيوتن/مم، ومعامل ضغط 890 كيكا بسكال، ومرونة 34.75%. توقعت محاكاة العناصر المحدودة (FEM) تحت تأثير قوة محورية مقدارها 500 نيوتن إزاحة قصوى قدرها 0.01855 مم، وإجهادًا قدره 0.001606%، وعامل أمان قدره 119.5. تشير هذه النتائج إلى أن تقوية مطاط السيليكون بألياف السليلوز يمكن أن يُحسّن سلوكه الميكانيكي بشكل كبير، مما يجعله مرشحًا قويًا للاستخدام في الأقراص القطنية الاصطناعية.
Experimental and FEM Analysis of L4-L5 Intervertebral Disc Made of Elastic Biomaterial
Abstract
Lower back pain is often linked to the degeneration of lumbar intervertebral discs, especially at the L4-L5 level. This condition can become severe enough to require surgical procedures like disc replacement. However, many commonly used artificial disc materials such as metals and rigid polymers do not successfully imitate the biomechanical behavior of natural discs. This mismatch often leads to problems like stress concentration, reduced flexibility, and poor integration with nearby tissues. In this study, an alternative solution is proposed by developing an artificial disc using silicone rubber, which is flexible and biocompatible, and reinforcing it with natural cellulose fibers. The aim is to improve the mechanical properties of the silicone material using an environmentally friendly additive. The effectiveness of this composite was examined through both lab experiments and finite element analysis (FEM). Twelve combinations were prepared using Room Temperature Vulcanized (RTV) silicone rubber mixed with cellulose fibers of three lengths (3 mm, 5 mm, and 7 mm) and four fiber contents (2%, 4%, 6%, and 8%). Standard mechanical tests tensile, tear, compression, and resilience were carried out according to ASTM standers. A prototype disc representing the L4-L5 level was created using a 3D-printed PLA+ mold, with dimensions of 47.5 mm in diameter and 15.5 mm in thickness. Among the samples, the results were achieved with the composite containing 5 mm fibers at 4% by weight. It showed a tensile strength of 3900 KPa, tear resistance of 1.35 N/mm, compression modulus of 890 KPa, and resilience of 34.75%. The FEM simulation under a 500 N axial force predicted a maximum displacement of 0.01855 mm, strain of 0.001606%, and a safety factor of 119.5. These results suggest that reinforcing silicone rubber with cellulose fibers can significantly improve its mechanical behavior, making it a strong candidate for use in artificial lumbar discs.
