Date of Award

6-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Dr. Jaber Abu Qudeiri

Second Advisor

Dr. Bobby Mathew

Abstract

This doctoral research concerns the design and optimization of hip implants (HIs) to enhance performance, durability, and improve patient outcomes by addressing the key issues of wear, deformation, and stress distribution. Innovative surface groove designs have been introduced to both a solid and a hollow femoral head with the aim of reducing friction and wear. The addition of grooves, with both a hemispherical and rectangular cross-section, onto the femoral head reduced friction, as debris produced by the inner liner was trapped within the grooves, significantly reducing adhesive wear. A numerical simulation study compared the effects of surface modifications both grooves and dimples on wear reduction under static loading. The simulations showed that incorporating grooves on the femoral head led to a 10% reduction in wear rate, and the addition of dimples contributed a 3% improvement.

A comprehensive optimization of femoral head design was conducted using full factorial design methods and Finite Element Analysis to assess stress distribution and deformation. Three groove configurations were evaluated: no grooves, horizontal grooves, and vertical grooves. The results revealed that vertical grooves provided the best performance in terms of stress distribution and wear resistance. Hollow femoral heads with wall thickness 0.1 mm and vertical grooves demonstrated superior load-bearing capacity, reduced weight, and enhanced structural integrity. Additive Manufacture was used to fabricate models heads to demonstrate custom designed femoral heads of complex geometry composed of high-strength, biocompatible Titanium alloy (Ti6Al4V).

The successful implementation of these designs could position them as a commercially viable solution, offering both improved patient outcomes and cost-effective manufacturing processes. This patented design comprising a grooved femoral head, inner liner, and outer acetabular cup is considered to present a breakthrough in reducing friction and wear during total hip arthroplasty.

Arabic Abstract


تصميم وتطوير غرسات الورك لضمان إطالة عمرها من خلال دمج هياكل الأخدود المتقدمة والتصنيع الإضافي

يتناول بحث الدكتوراه هذا تصميم وتحسين غرسات الورك (HIs) لتعزيز الأداء والمتانة وتحسين نتائج الغرسات للمرضى من خلال معالجة قضايا رئيسية مثل التآكل والتشوه وتوزيع الإجهاد. وقد طُوّرت تصاميم أخاديد سطحية مبتكرة لكل من رأس الفخذ الصلب والمجوف بهدف تقليل الاحتكاك والتآكل. وقد أدت إضافة أخاديد، ذات مقطع عرضي نصف كروي ومستطيل، إلى رأس الفخذ إلى تقليل الاحتكاك، حيث تجمعت الحبيبات الصغيرة الناتجة عن البطانة الداخلية داخل الأخاديد، مما قلل بشكل كبير من تآكل المادة اللاصقة. وقد قارنت دراسة محاكاة عددية آثار تعديلات السطح - الأخاديد والغمازات - على تقليل التآكل تحت الأحمال الساكنة. وأظهرت عمليات المحاكاة أن إضافة أخاديد إلى رأس الفخذ أدى إلى انخفاض في معدل التآكل بنسبة 10%، بينما ساهمت إضافة الغمازات في تحسين بنسبة 3%. وتم تحسين شامل لتصميم رأس الفخذ باستخدام أساليب التصميم العاملي الكامل وتحليل العناصر المحدودة لتقييم توزيع الإجهاد والتشوه. تم تقييم ثلاثة تكوينات للأخاديد: بدون أخاديد، وأخاديد أفقية، وأخاديد رأسية. أظهرت النتائج أن الأخاديد الرأسية حققت أفضل أداء من حيث توزيع الإجهاد ومقاومة التآكل. أظهرت رؤوس الفخذ المجوفة بسماكة جدار 0.1 مم والأخاديد الرأسية قدرة تحمل فائقة، ووزنًا أخف، وسلامة هيكلية مُحسّنة. على الرغم من صغر حجم المادة، أظهرت المكونات المجوفة متانة كافية لتحمل ظروف الأحمال العالية، مما يجعلها خيارًا واعدًا لتصميمات غرسات رأس الفخذ المستقبلية. يمكن أن تُسهم هذه الابتكارات التصميمية بشكل كبير في تحسين وضع المرضى بعد إجراء الغرساتمن خلال تقليل التآكل وتحسين وظائف المفاصل .

Download

Share

COinS