Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала

Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала

Автор: Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (98) т.26, 2022 года.

Бесплатный доступ

Разработка индивидуализированных конструкций имплантатов в кратчайшие сроки является актуальной проблемой персонализированной медицины, что обусловливает применение передовых цифровых технологий в биомедицине. Несмотря на приемлемые результаты по эндопротезированию тазобедренного сустава, все еще существует ряд серьезных проблем, требующих дальнейшего изучения конструкции и материалов персонализированных имплантатов. В частности, при исследовании поведения системы при функциональных нагрузках возникает ряд вопросов, касающихся корректного задания нагрузок, которые учитывали бы взаимосвязь мышц и суставов, и выбора материала имплантата, который мог бы обеспечивать долгосрочную биосовместимость с живым организмом человека без длительной замены. В рамках решения проблемы были рассмотрены особенности создания персонализированных математических моделей на основе данных компьютерной томографии пациента, полученных из ФГБУ «НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена» (Санкт-Петербург). Была разработана реалистичная конечно-элементная модель таза и исследовано напряженно-деформированное состояние костей таза и имплантатов при моделировании первичной и повторной операции эндопротезирования тазобедренного сустава. В ходе работы была проведена серия расчетов, отличающихся способами фиксации полимерного имплантата, а также проанализирована возможность применения персонализированной конструкции эндопротеза из полимерного материала.

Еще

Цифровое проектирование, тазобедренный сустав, кастомизированный имплантат, конечно-элементный анализ, напряженно-деформированное состояние, ревизионная артропластика, полимерный имплантат

Короткий адрес: https://sciup.org/146282608

IDR: 146282608   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.4.02

Список литературы Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала

  • ГОСТ Р ИСО 5832-3-2014. Имплантаты для хирургии. Металлические материалы. Ч. 3: Деформируемый сплав на основе титана, 6-алюминия и 4-ванадия. - М.: Стан-дартинформ, 2015. - 4 с.
  • Коваленко А.Н., Тихилов Р. М., Шубняков И.И., Джавадов А.А., Билык С.С., Мидаев А.И., Маслов Л.Б., Жмай-ло М.А. Дизайн индивидуальных вертлужных компонентов: влияние типа дефекта на вид конструкции // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 2. -С. 159-172.
  • Маслов Л.Б, Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т.25, №4. - С. 414-433.
  • Bergmann G., Deuretzbacher G. Hip contact forces and gait patterns from routine activities // Journal of Biomechanics -2001. - Vol. 34, no.7. - P. 859-871.
  • Borovkov A., Maslov L., Tarasenko F., Zhmaylo M., Maslova I., Solovev D. Development of elastic-plastic model of additively produced titanium for personalised endopros-thetics // Int. J. Adv. Manuf. Technol. -2021. - Vol. 117. -P. 2117-2132.
  • Boudeau N., Liksonov D., Barriere T., Maslov L., Gelin J.-C. Composite based on polyetheretherketone reinforced with carbon fibres, an alternative to conventional materials for femoral implant: Manufacturing process and resulting structural behavior // Mater. Des. - 2012. - Vol. 40, no. 9. - P. 148-156.
  • Bruna-Rosso C., Arnoux P.J., Bianco R.J., Godio-Raboutet Y., Fradet L., Aubin C.E. Finite element analysis of sacroiliac joint fixation under compression loads // International Journal of Spine Surgery. - 2016. - Vol. 10. -Article no. 16. DOI: 10.14444/3016
  • Dalstra M., Huiskes R., Odgaard A., van Erning L. Mechanical and textural properties of pelvic trabecular bone // Journal of Biomechanics. - 1993. - Vol. 26. - P. 523-535.
  • Dalstra M., Huiskes R., van Erning L. Development and validation of a three-dimensional finite element model of the pelvic // Journal of Biomechanics. - 1995. - Vol. 117. -P. 272-278.
  • Dong E., Wang L., Iqbal T., Li D., Liu Y., He J., Zhao B., Li Y. Finite Element Analysis of the Pelvis after Customized Prosthesis Reconstruction // Journal of Biomechanics. -2018. - Vol. 15. - P. 443-451.
  • Duda G.N., Heller M., Albinger J., Schulz O., Schneider E., Claes L. Influence of muscle forces on femoral strain distribution // Journal of Biomechanics. - 1998. - Vol. 31. -P. 841-846.
  • Esper F.J., Harms J., Mittelmeier H., Gohl W. Carbon fiber reinforced triazin resin for endoprostheses // Proceedings of the Materials Research Symposium: Biomedical Materials. -1986. - Vol. 55. - P. 203.
  • Fan Y, Lei J, Zhu F, Li Z, Chen W, Liu X. Biomechanical analysis of the fixation system for t-shaped acetabular fracture // Comput. Math. Methods Med. - 2015. - Vol. 2015. -Article no. 370631.
  • Finite element analysis in orthopedic biomechanics / Kluess D. [et al.]. - Croatia: Sciyo: Rijeka, 2010. -P. 151-170.
  • Finite Element Analysis of Pelvic Reconstruction Using Fibular Transplantation Fixed with Rod-Screw System after Type I Resection: festschrift / Jia Y., Cheng L., Yu G., Ding Z. - Wuhan, 2007. - P. 440-433.
  • Garcia-Gonzalez D., Rodriguez-Millan M., Rusinek A., Arias A. Investigation of mechanical impact behavior of short carbon-fiber-reinforced PEEK composites // Compos. Struct. - 2015. - Vol. 113. - P. 1116-1126.
  • Greitemeier D., Palm F., Syassen F., Melz T. Fatigue performance of additive manufactured TiAl6V4 using electron and laser beam melting // Int. J. Fatigue. - 2017. - Vol. 94. -P. 211-217.
  • Hao Z., Wan C., Gao X., Ji T. The effect of boundary condition on the biomechanics of a human pelvic joint under an axial compressive load: a three-dimensional finite element model // J. Biomech. Eng. - 2011. - Vol. 133, no. 10. - Article no. 101006. DOI: 10.1115/1.4005223
  • Huiskes R, Weinans H, van Rietbergen B. The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials // Clin. Orthop. Relat. Res. - 1992. - Vol. 274. - P. 124-134.
  • Hu P., Wu T., Wang H.Z., Qi X.Z., Yao J., Cheng X.D., Chen W., Zhang Y.Z. Influence of different boundary conditions in finite element analysis on pelvic biomechanical load transmission // Orthop. Surg. - 2017. - Vol. 9. - P. 115-122.
  • Iqbal T., Shi L., Wang L., Liu Y., Li D., Qin M., Jin, Z. Development of finite element model for customized prostheses design for patient with pelvic bone tumor // Proc. Inst. Mech. Eng. Part H. J. Eng. Med. - 2017. - Vol. 231. - P. 525-533.
  • Keaveny T.M., Wachtel E.F., Kopperdahl D.L. Mechanical behavior of human trabecular bone after overloading // Journal of Biomechanics. - 2011. - Vol. 17. - P. 346-353.
  • Kukin I.A., Kirpichev I.V., Maslov L.B., Vikhrev S.V. Characteristics of the trabecular bone strength properties of people with hip diseases // Fundam. Res. - 2013. - Vol. 7. -P. 328-333.
  • Li C.S., Vannabouathong C., Sprague S., Bhandari M. The use of carbon-fiber-reinforced (CFR) PEEK material in orthopedic implants: a systematic review // Clin Med Insights Arthritis Musculoskelet Disord. - 2015. - Vol. 8. - P. 33.
  • Liksonov D., Barriere T., Boudeau N., Gelin J.-C., Maslov L. Injection molding and characterization of a fiber-reinforced material // AIP Conf. Proc. - 2004. - Vol. 712. -P. 300-304.
  • Lu T.W., Taylor S.J., O'Connor J.J., Walker P.S. Influence of muscle activity on the forces in the femur: an in vivo study // Journal of Biomechanics. - 1977. - Vol. 30. -P. 1101-1106.
  • Maslov L.B., Borovkov A.I., Maslova I.L., Soloviev D.O., Zhmaylo M.A., Tarasenko F.D. Finite element analysis of customized acetabular implant and bone after pelvic tumour resection throughout the gait cycle // Materials. - 2021. -Vol. 14, no. 22. - P. 7066.
  • Maslov L.B. Mathematical model of bone regeneration in a porous implant // Mech. Compos. Mater. - 2017. - Vol. 53, no. 3. - P. 399-414.
  • Ramakrishna S., Mayer J., Wintermantel E., Leong K.W. Biomedical applications of polymer-composite materials: a review // Composites Science and Technology. - 2001. -Vol. 61. - P. 1189-1224. DOI: 10.1016/S0266-3538(00)00241-4
  • Morgan E.F., Unnikrisnan G.U., Hussein A.I. Bone Mechanical Properties in Healthy and Diseased States // Annu. Rev. Biomed. Eng. - 2018. - Vol. 20. - P. 119-143.
  • Pedersen D.R., Brand R.A., Davy D.T. Pelvic muscle and acetabular contact forces during gait // Journal of Biome-chanics. - 1997. - Vol. 30. - P. 959-965.
  • Ramakrishna S., Mayer J., Wintermantel E., Leong K.W. Biomedical applications of polymer-composite materials: a review // Compos. Sci. Technol. - 2001. - Vol. 61. -P. 1189-1224.
  • Reilly D.T., Burstein A.H. The elastic and ultimate properties of compact bone tissue // Journal of Biomechanics. -1975. - Vol. 8. - P. 393-405.
  • Ricci P.L., Maas S., Kelm J., Gerich T. Finite element analysis of the pelvis including gait muscle forces: an investigation into the effect of rami fractures on load transmission // J. Exp. Ortop. - 2018. - Vol. 5, no. 1. - Article no. 33. DOI: 10.1186/s40634-018-0151-7
  • Rohlmann A., Mossner U., Bergmann G., Kolbel R. Finite-element-analysis and experimental investigation of stresses in a femur // Journal of Biomedical Engineering. - 1982. -Vol. 4. - P. 241-246.
  • Shim V., Gather A., Höch A., Schreiber D., Grunert R., Peldschus S., Josten C., Böhme J. Development of a patient-specific finite element model for predicting implant failure in pelvic ring fracture fixation // Comput. Math. Methods Med. - 2017. - Vol. 2017. - Article no. 9403821. DOI: 10.1155/2017/9403821
  • Skinner H.B. Composite technology for total hip arthroplasty // Clin. Orthop. Relat. Res. - 1988. - Vol. 235. -P. 224-236.
  • Sung-Won Y., Yun-Hae K., Jin-Woo L., Han-Bin K. Tribo-logical properties of carbon/PEEK composites // International Journal of Ocean System Engineering. - 2013. - Vol. 3. -P. 142-146.
  • Sushentsov E.A., Musaev E.R., Maslov L.B., Zhmaylo M.A., Sofronov D.I., Agaev D.K., Dzampaev A.Z., Ro-mantsova O.M., Fedorova A.V., Aliev M.D. Computer simulation, 3d-printing and custom-made prosthetics in treatment of a patient with osteosarcoma of the pelvis // Bone Soft Tissue Sarcomas Tumors Skin. - 2019. - Vol. 11. - P. 53-61.
  • Wirtz D.C., Schiffers N., Forst R., Pandorf T., Weichert D., Radermacher K. Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur // Journal of Biomechanics. -2000. - Vol. 33. -P. 1325-1330.
  • Zhou Y., Min L., Liu Y., Shi R., Zhang W., Zhang H., Duan H., Tu C. Finite Element Analysis of the Pelvis after Modular Hemipelvic Endoprosthesis Reconstruction // Int. Orthop. - 2013. - Vol. 37. - P. 653-658.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp