Abstract Due to the Si-O-Si bonding, silicate bioceramics have enhanced mechanical characteristics than their calcium phosphate (CaP) counterparts. Bredigite with orthorhombic crystal system is one of the most efficient bioceramics in osteoblast and bone growth. On the other hand, biosilicate-magnetite composites (e.g. bredigite-magnetite and hardystonite-magnetite) are excellent candidates for hyperthermia applications. In the current study, the vibrational response of a beam-type bone implant subjected to axial compression is investigated. The implant is made of bredigite-magnetite bio-nanocomposite scaffold fabricated by 3D printing machine including 0.8 mm pore size. The Young's modulus of the scaffold is extracted experimentally corresponding to different magnetite nanoparticle (MNP) weight fractions, crystalline nanocomposite particle size, and various shapes of morphology. The morphology shape is determined corresponding to different MNP weight fractions and temperatures using scanning electron microscopy (SEM). Thereafter, an analytical solution is presented to express explicitly the load-frequency and frequency-deflection responses of the axially loaded beam-type bone implant. It is observed that in the prebuckling domain, by increasing the axial compressive load, the influence of the MNP weight fraction on the natural frequency of the bio-nanocomposite implant increases while in the postbuckling regime, increment in the axial compression has no effect on the significance of the MNP weight fraction effect.

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轴向压缩下由 3D 打印 bredigite-磁铁矿生物纳米复合支架制成的梁式植入物的振动：应用、交流和模拟

摘要 由于 Si-O-Si 键合，硅酸盐生物陶瓷比它们的磷酸钙 (CaP) 对应物具有增强的机械特性。具有正交晶系的 Bredigite 是成骨细胞和骨骼生长中最有效的生物陶瓷之一。另一方面，生物硅酸盐-磁铁矿复合材料（例如 bredigite-磁铁矿和硬石-磁铁矿）是热疗应用的极好候选者。在当前的研究中，研究了承受轴向压缩的梁式骨植入物的振动响应。该植入物由 3D 打印机制造的 bredigite-磁铁矿生物纳米复合支架制成，孔径为 0.8 毫米。支架的杨氏模量是根据不同的磁铁矿纳米颗粒 (MNP) 重量分数通过实验提取的，晶体纳米复合材料的粒径和各种形状的形态。使用扫描电子显微镜 (SEM) 确定对应于不同 MNP 重量分数和温度的形态形状。此后，提出了一个解析解来明确表达轴向加载梁式骨植入物的载荷频率和频率偏转响应。观察到在预屈曲域中，通过增加轴向压缩载荷，MNP 重量分数对生物纳米复合材料植入物的固有频率的影响增加，而在屈曲后区域，轴向压缩的增加对生物纳米复合材料植入物的固有频率没有影响。 MNP 重量分数效应的显着性。使用扫描电子显微镜 (SEM) 确定对应于不同 MNP 重量分数和温度的形态形状。此后，提出了一个解析解来明确表达轴向加载梁式骨植入物的载荷频率和频率偏转响应。观察到在预屈曲域中，通过增加轴向压缩载荷，MNP 重量分数对生物纳米复合材料植入物的固有频率的影响增加，而在后屈曲状态下，轴向压缩的增加对生物纳米复合材料植入物的固有频率没有影响。 MNP 重量分数效应的显着性。使用扫描电子显微镜 (SEM) 确定对应于不同 MNP 重量分数和温度的形态形状。此后，提出了一个解析解来明确表达轴向加载梁式骨植入物的载荷频率和频率偏转响应。观察到在预屈曲域中，通过增加轴向压缩载荷，MNP 重量分数对生物纳米复合材料植入物的固有频率的影响增加，而在后屈曲状态下，轴向压缩的增加对生物纳米复合材料植入物的固有频率没有影响。 MNP 重量分数效应的显着性。