Aditivní výroba NiTi slitin pro využití v ortopedii a traumatologii

• Název práce v češtině: Aditivní výroba NiTi slitin pro využití v ortopedii a traumatologii
• Název v anglickém jazyce: Additive manufacturing of NiTi alloys for applications in orthopedics and traumatology
• Klíčová slova: Aditivní výroba, Nitinol, Nitinolový osteosyntetický materiál, stabilita osteosyntézy, primární a sekundární kostní hojení, superelasticita, tvarová paměť, nitrodřeňové hřebování, osteosyntetická dlaha, pozdní hojení či nezhojení, Youngův modul, martensit, austenit, 3D tisk, 4D tisk, biokompatibilita, homogenní komplexní struktura
• Klíčová slova anglicky: Additive manufacturing, Nitinol, Nitinol osteosynthetic material, steability of osteosynthesis, primary and secondary bone healing, superelasticity, shape memory, intramedullary nailing, osteosynthetic plate, late bone healing or nonhealing, Young´s modulus, martensite, austenite, 3D printing, 4D printing, biocompatibility, homogenous complex structure
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Klinika dětské a dospělé ortopedie a traumatologie (13-382)
• Vedoucí / školitel: prof. MUDr. Vojtěch Havlas, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 02.10.2023
• Datum zadání: 02.10.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 14.11.2023

Seznam odborné literatury

Abdulhameed, O., Al-Ahmari, A., Ameen, W., and Mian, S. H. (2019). Additive manufacturing: Challenges, trends,
and applications. Adv. Mech. Eng., 11(2):1–27.
Baghbaderani K.S., Nematollahi N., Bayatimalayeri, P. (2020) ArXiv Prepr. ArXiv2006.15659.
Bagheri, A., Mahtabi, M. J., and Shamsaei, N. (2018). Fatigue behavior and cyclic deformation of additive
manufactured NiTi. J. Mater. Process. Tech., 252:440–453.
Chekotu, J., Groarke, R., O’Toole, K., and Brabazon, D. (2019). Advances in Selective Laser Melting of Nitinol
Shape Memory Alloy Part Production. Materials (Basel)., 12(5):809.
Dehghanghadikolaei, A., Ibrahim, H., Amerinatanzi, A., Hashemi, M., Moghaddam, N. S., and Elahinia, M. (2019).
Improving corrosion resistance of additively manufactured nickeltitanium biomedical devices by micro-arc oxidation
process. J. Mater. Sci., 54(9):7333–7355.
9
Part C1 Project No.: NU23-08-00043
Drápala, J., Losertová, M., Štencek, M., Konečná, K., Matýsek, D., and Sevostyanov, M. A. (2020). Structural
characteristics of NiTi alloys after thermal treatment. IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 726:0120191.
Elahinia MH, Hashemi M, Tabesh M, Bhaduri SB. Manufacturing and processing of NiTi implants: A review.
Progress in Materials Science. (2012) 1;57(5):911–46.
Farber, E., Zhu, J.-N., Popovich, A., and Popovich, V. (2020). A review of NiTi shape memory alloy as a smart
material produced by additive manufacturing. Mater. Today Proc., 30:761-767.
Ferčec, J., Anžel, I., and Rudolf, R. (2014). Stress dependent electrical resistivity of orthodontic wire from the shape
memory alloy NiTi. Mater. Des., 55:699–706.
Gustmann, T., Gutmann, F., Wenz, F., Koch, P., Stelzer, R., Drossel, W. G., and Korn, H. (2020). Properties of a
superelastic NiTi shape memory alloy using laser powder bed fusion and adaptive scanning strategies. Prog. Addit.
Manuf., 5(1):11–18.
Jahadakbar, A., Nematollahi, M., Safaei, K., Bayati, P., Giri, G., Dabbaghi, H., Dean, D., and Elahinia, M. (2020).
Design, Modeling, Additive Manufacturing, and Polishing of Stiffness-Modulated Porous Nitinol Bone Fixation
Plates Followed by Thermomechanical and Composition Analysis. Metals (Basel)., 10(1):151.
Jamaluddin, R., Tan, Ch. L., Hamidon, R., Mansor, A.F., Azmi, A.I. (2021). Electrical discharge coating of NiTi
alloy in deionized water. Mater. Today: Proc., 41:109–115
Joshi, S., Rawat, K., Karunakaran, C., K., Rajamohan, V., Mathew, A.T., Koziol, K., Thakur, V.C., Balan A.S.S.
(2020) 4D printing of materials for the future: Opportunities and challenges. Appl.Mater. Today, 18:100490
Kuang, X., Roach, D. J., Wu, J., Hamel, C. M., Ding, Z., Wang, T., Dunn, M. L., and Qi, H. J. (2019). Advances in
4D Printing: Materials and Applications. Adv. Funct. Mater., 29(2):1–23.
Levintant-Zayonts, N., Starzynski, G., Kopec, M., and Kucharski, S. (2019). Characterization of NiTi SMA in its
unusual behaviour in wear tests. Tribol. Int., 137(February):313–323.
Li, S., Hassanin, H., Attallah, M.M., Adkins, N.J., and Essa, K. (2016). The development of TiNi based negative
Poisson’s ratio structure using selective laser melting. Acta Mater. 105:75–83.
Mertová K, Džugan J, Roudnická M et al. Build Size and Orientation Influence on Mechanical Properties of Powder
Bed Fusion Deposited Titanium Parts. (2020) Metals (10):1340.
Müller, T. S. and Sommer, C. (2019). Repositionstechniken bei minimalinvasiven Plattenosteosynthesen.
Unfallchirurg, 122(2):103–109.
Oshida, Y., Tomimaga , T. (2020). Nickel-Titanium Materials: Biomedical Applications. ISBN-13: 978-3110666038
Pfeifer, R., Müller, C. W., Hurschler, C., Kaierle, S., Wesling, V., and Haferkamp, H. (2013). Adaptable orthopedic
shape memory implants. In Procedia CIRP, volume 5, pages 253–258. Elsevier B.V.
Saedi, S., Turabi, A. S., Andani, M. T., Haberland, C., Karaca, H., and Elahinia, M. (2016). The influence of heat
treatment on the thermomechanical response of Ni-rich NiTi alloys manufactured by selective laser melting. J.
Alloys Compd., 677:204–210.
Safaei, K., Abedi, H., Nematollahi, M. et al. Additive Manufacturing of NiTi Shape Memory Alloy for Biomedical
Applications: Review of the LPBF Process Ecosystem (2021). JOM 73, 3771–3786.
Safavi MS, Bordbar-Khiabani A, Khalil-Allafi J, et al. Additive Manufacturing: An Opportunity for the Fabrication
of Near-Net-Shape NiTi Implants. (2022) J Manufact Mat Process. 6(3):65.
Shiva, S., Palani, I. A., Mishra, S. K., Paul, C. P., and Kukreja, L. M. (2015). Investigations on the influence of
composition in the development of Ni-Ti shape memory alloy using laser based additive manufacturing. Opt. Laser
Technol., 69(1):44–51.
Pehlivan E, Roudnicka M, Dzugan J, Koukolikova M, Králík V, Seifid M, Lewandowskid JJ, Vojtech D, Daniel,
M. (2020) Effects of build orientation and sample geometry on the mechanical response of CP-Ti Grade 2 tiny wire
samples manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manfucturing 35:101403.
Pehlivan E, Džugan J, Fojt J, Sedláček R, Rzepa S, Daniel M. (2020) Post-Processing Treatment Impact on
Mechanical Properties of SLM Deposited Ti-6Al-4 V Porous Structure for Biomedical Application. Materials 13
:5167
Tamay, D. G., Dursun Usal, T., Alagoz, A. S., Yucel, D., Hasirci, N., and Hasirci, V. (2019). 3D and 4D Printing of
Polymers for Tissue Engineering Applications. Front. Bioeng. Biotechnol., 7(July).
Wadood, A. (2016). Brief overview on nitinol as biomaterial. Adv. Mater. Sci. Eng., 2016.
Wang, C., Tan, X. P., Du, Z., Chandra, S., Sun, Z., Lim, C. W., Tor, S. B., Lim, C. S., and Wong, C. H. (2019).
Additive manufacturing of NiTi shape memory alloys using pre-mixed powders. J. Mater. Process. Technol.,
271(February):152–161.
Zhang, Dongzhe, Yunze Li, and Weilong Cong. (2021) Multi-Scale Pseudoelasticity of NiTi Alloys Fabricated by
Laser Additive Manufacturing. Materials Science and Engineering: A 821: 141600.

Předběžná náplň práce

Hlavním cílem studia je vývoj a aditivní výroba nové generace osteosyntetického materiálu z nitinolu. V průzkumu očekáváme vývoj a aplikaci minimálně 2 osteosyntetických implantátů vyrobených metodou 4-D tisku – hřebu pro elastické nitrodřeňové hřebování a osteosyntetické dlahy. Implantáty následně budeme in vitro testovat a získané výsledky budeme analyzovat s použitím dat u pacientů s výskytem pozdního hojení či špatného hojení. Dílčí cíle jsou pak porozumění výrobnímu zpracování a následným modifikacím superelastických nitinolových produktů, zpracování návrhu NiTi osteosyntetického materiálu pro adaptační osteosyntézu a zkouška funkce nového materiálu in vitro. K řešení tohoto studia je nezbytná spolupráce mezi techniky zabývající se 3D-tiskem, odborníky na materiál a jeho testování v biomechanice a mezi lékaři z oboru traumatologie.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The main objective of the study is the development and additive manufacturing of a new generation of osteosynthetic material from nitinol. In the survey, we expect the development and application of at least 2 osteosynthetic implants made using the 4-D printing method – a nail for elastic intramedullary nailing and osteosynthetic plates. Subsequently, we will test the implants in vitro and analyze the results using data from patients with a history of late healing or poor healing. Partial objectives are to understand the production processing and subsequent modifications of superelastic nitinol products, to design a NiTi osteosynthetic material for adaptation osteosynthesis and to test the function of the new material in vitro. To solve this study, it is necessary to collaborate between 3D-printing technicians, experts in the material and its testing in biomechanics, and doctors in the field of traumatology.