Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 882
Механические свойства силиконовых маммапротезов
Статья научная
Увеличение молочных желез с помощью силиконовых имплантатов относится к одним из наиболее часто выполняемых эстетических операций. Основной причиной повторных операций и удаления имплантатов является его разрыв. Целью исследования является изучение изменения прочности и деформативности оболочки имплантатов молочных желез, приводящих к их разрыву в зависимости от условий механического воздействия на них. В работе применялись методы, используемые в механике сплошных сред при исследовании эластомеров. Проведены эксперименты на циклическое растяжение и на циклическое растяжение с нарастающей амплитудой оболочки имплантата. Испытания проводились на оболочке силиконовых грудных протезов производства Eurosilicone, Mentor и Motiva. Начальные участки кривых растяжения до 200 % показаны для оболочек имплантатов Mentor спустя 8 лет использования в организме, Eurosilicone – 8 лет и Motiva – 2 года. Все эксперименты сравнивались с кривой растяжения оболочки не использованного (контрольного) имплантата. Циклическое растяжение показало, что после первого растяжения до заданной деформации оболочка имплантата размягчается, и следующая кривая растяжения проходит гораздо ниже кривой первого растяжения. При деформации, большей предыдущего растяжения, кривая растяжения вновь выходит на начальную кривую нерастянутого образца. При наличии микроповреждений оболочки грудных протезов размягчаются (эффект Маллинза), и кривые проходят ниже кривой контрольного испытания. Показано, что прочность протеза падает со временем из-за накопления микроповреждений при систематической циклической деформации в процессе его использования в пределах 100–150 %. При больших деформациях оболочек силиконовых имплантатов прочность протезов существенно снижается, и разрыв может произойти гораздо раньше их срока годности.
Бесплатно
Механические свойства систем кость-имплантат в условиях различных способов фиксации
Статья научная
Переломы диафизов костей голени составляют до 45 % случаев от всех переломов длинных костей скелета человека и являются самыми распространенными повреждениями костей сегментов конечностей, лечение которых сопровождается большим числом осложнений, поэтому проблема улучшения результатов лечения пациентов с указанной травмой по-прежнему актуальна для современной травматологии и ортопедии. Использование компрессионно-дистракционных аппаратов, систем интрамедуллярного и накостного остеосинтеза позволяет обеспечить стабильно-функциональный остеосинтез и исключить необходимость в дополнительной гипсовой иммобилизации сегмента или конечности в послеоперационном периоде. Биомеханические взаимоотношения в системе кость-имплантат являются значимым фактором, позволяющим объективизировать режим двигательной реабилитации в раннем послеоперационном периоде. В данной работе изучены результаты стендовых испытаний групп биоманекенов большеберцовой кости в условиях экспериментального повреждения типа 42 А 1.1 (по универсальной классификации переломов АО/ASIF ), синтезированных различными видами имплантатов: системой расширяющейся фиксации Fixion , аппаратом наружной фиксации, пластинами для накостного остеосинтеза LC-DCP и системой блокируемого интрамедуллярного остеосинтеза (БИОС). Каждая исследуемая система кость-имплантат была подвергнута осевому сжатию на универсальной электромеханической разрывной машине INSTRON 1185. В результате проведенного сравнительного анализа резистентности осевому сжатию было выявлено, что любой вид фиксации повышает прочность систем в дипазоне 22-81 % по сравнению с интактными образцами. Наибольшую прочность демонстрировали системы внутрикостной фиксации, что отражает наиболее оптимальные биомеханические взаимоотношения в системе кость-имплантат.
Бесплатно
Механический анализ штифтовой конструкции с ионно-плазменным напылением
Статья научная
В данной работе рассматривается плоская конечно-элементная модель системы «покрывная конструкция-искусственная культя зуба-штифт- корень зуба-периодонт-нижняя челюсть». Цель исследования заключается в сравнении двух типов штифтовых конструкций с позиции предотвращения послеоперационных осложнений. Также анализируется изменение прочности штифтовой конструкции после обработки поверхности штифта ионно-плазменным методом, образующим пористый поверхностный слой. В результате исследования было показано, что тип конструкции несущественно влияет на напряженно- деформированное состояние всей системы, однако обработка поверхности штифта должна восприниматься как необходимость при использовании для изготовления штифта таких твердых материалов, как титан и цирконий.
Бесплатно
Механический фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека
Статья научная
В работе рассмотрен фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека - биомеханическое давление. Термин «давление» понимается как механическое напряжение. Описано структурно- функциональное строение зубочелюстной системы в процессе ее фило- и онтогенеза. Показана роль биомеханического давления в этих процессах как основного фактора, обеспечивающего развитие и функционирование взаимосвязанных блоков зубочелюстной системы в норме и патологии. Такая точка зрения позволяет выделить круг задач биомеханики и определить подходы к их постановкам.
Бесплатно
Механическое давление как основа биомеханического моделирования зубочелюстной системы человека
Статья научная
Рассмотрен фактор развития и функционирования зубочелюстной системы человека - биомеханическое давление. Термин «давление» понимается как механическое напряжение. Описано структурно-функциональное строение зубочелюстной системы в процессе ее фило- и онтогенеза. Показана роль биомеханического давления в этих процессах как основного фактора, обеспечивающего развитие и функционирование взаимосвязанных блоков зубочелюстной системы в норме и при патологии. Отмечена идентичность факторов, генерирующих рост, развитие и формообразование основных каркасных блоков, сопряженность и взаимодействие их функций. Показана определяющая роль изменяющейся нагрузки в формировании и функционировании височно-нижнечелюстного сустава. Одним из механизмов перераспределения усилий в височно-нижнечелюстном суставе и во всей зубочелюстной системе является смещение суставного диска, приводящее к суставному дивертикулу, который может вызвать инсульт головного мозга. Функциональные изменения развиваются в результате перестройки и резорбции костной ткани. Степень таких изменений зависит, в основном, не от метаболизма кости или возраста индивидуума, а от функциональных и, следовательно, механических условий. Рассмотренные проблемы взаимосвязи между блоками зубочелюстной системы могут быть решены в рамках междисциплинарного подхода, что является особенностью биомеханического моделирования. Выделен круг задач биомеханического моделирования, постановка которых использует разработанный подход: определение усилий мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава, моделирование естественного и искусственного вскармливания детей, моделирование перестройки трабекулярной костной ткани, моделирование диска височно-нижнечелюстного сустава как пороупругого тела. Сделан вывод о возможности использования результатов работы в рамках концепции виртуального физиологического человека.
Бесплатно
Статья научная
В работе исследовали особенности деформационного поведения металлотрикотажа, связанного из тонкой проволоки из сплава на основе TiNi , а также была проведена экспериментальная оценка его биологической совместимости. Полученные экспериментальные деформационные диаграммы напряжение-деформация, полностью соответствуют типовым диаграммам растяжения сверхэластичных сплавов TiNi с мартенситным переходом. Полученные нелинейные зависимости растяжения металлотрикотажа, связанноого из проволоки TiNi реологически подобны гиперупругим материалам и отличны от полученных диаграмм растяжения исходной проволоки. Обнаружено, что напряженно-связанная конструкция трикотажа ограничивает проявление эффекта сверхэластичности, свойственного проволоке. Показано, что предел прочности трикотажа значительно ниже предела прочности проволоки. Методами численного моделирования показано сложно-напряженное состояние при деформировании, что приводит к неоднородности распределения напряжений в конструкции металлотрикотажа и локализации их максимальных значений в области контакта, тем самым подтверждена гипотеза о подавлении сверхэластичности ввиду конструктивных особенностей. Анализ распределения напряжений в материале петель показал, что растяжение в интервале физиологических нагрузок не приводит к локальным разрушениям металлотрикотажа из никелида титана. Результаты экспериментального исследования при макроскопической оценке зоны имплантации демонстрировали отсутствие грыжевых дефектов в зоне эндопротезирования, а спаечный процесс зафиксирован только в 3 (15 %) случаях. Зона эндопротезирования отличалась эластичностью, легко поддавалась деформации. Пористая структура TiNi -проволоки, а также биомеханические и биохимические свойства двухслойного металлатрикотажа обеспечивают оптимальную интеграцию эндопротеза в тканях организма и способствуют формированию эластичного каркаса близкого к естественному. Двухслойный трикотаж из TiNi в замещении сложных анатомических структур показал многообещающие результаты, что открывает перспективы для дальнейших клинических исследований.
Бесплатно
Механическое поведение тканей молочной железы: систематический
Статья научная
Молочные железы состоят из различных типов тканей: желез, куперовых связок, молочных протоков, жировой ткани, мышц и кожи, обладающих различными механическими свойствами. Большинство мягких тканей имеют нелинейные, вязкоупругие и анизотропные свойства. Для оценки механических свойств мягких тканей исследователи ограничиваются анализом линейного участка кривой «напряжениедеформация». В таком случае модуль Юнга является основным показателем для количественной оценки жесткости тканей. В данном систематическом обзоре рассматриваются наиболее часто используемые методы изучения механических характеристик тканей молочной железы, а также обобщены данные из литературы о механических свойствах и рассмотрены некоторые аспекты, позволяющие более детально проанализировать механическое поведение тканей молочной железы: а) исследования механического поведения, позволяющие проводить более точное моделирование; б) анализ вязкоупругих характеристик; в) механический анализ других областей молочной железы, таких как молочные протоки. Информация, представленная в обзоре, может быть использована в качестве исходных данных для численных моделей анализа поведения тканей молочных желез.
Бесплатно
Статья научная
Эритроциты - высокоспециализированные клетки, основной функцией которых является транспорт кислорода. Они лишены ядра и митохондрий, однако сохранили многие элементы молекулярных сигнальных путей. При выполнении транспортной функции эритроциты изменяют свои механические свойства и в том числе деформируются и объединяются в комплексы - агрегаты. Имеются отдельные свидетельства того, что изменение механических свойств эритроцитов происходит под влиянием сигнальных молекул, таких как рецепторы, ферменты и ионные каналы. С учетом вышесказанного целью исследования было изучение микромеханических ответов эритроцитов на стимулирование мембранных рецепторов, ионных каналов и ферментов. Для этого эритроциты инкубировали с агонистами адренорецепторов, стимуляторами и ингибиторами ферментов и ионных каналов мембраны с последующей регистрацией их деформируемости и агрегации. Было показано, что адреналин умеренно повышает деформируемость эритроцитов вместе с выраженным подъемом их агрегации (на 34 %), агонист альфа-1-адренорецепторов фенилэфрин мало изменял деформируемость эритроцитов, но сильно стимулировал их агрегацию, прирост составил 53 %. Напротив, стимулирование бета-адренорецепторов изопротеренолом привело к выраженному приросту деформируемости эритроцитов на 19 % и лишь умеренному снижению их агрегации. Более существенные и позитивные сдвиги деформируемости эритроцитов наблюдали в условиях изменения активности ферментов. В среднем прирост деформируемости составил 14 %. Стимулирование входа Са2+ в эритроциты или блокирование ионных каналов достоверно изменяло их деформируемость и агрегацию, особенно под влиянием блокатора Са2+-каналов верапамила. Наиболее сильный эффект Са2+ наблюдали в отношении агрегации, она изменялась в среднем на 44 %. Полученные данные позволяют заключить, что механические свойства эритроцитов и их транспортные возможности статистически достоверно изменяются под влиянием активации или ингибирования элементов молекулярных сигнальных каскадов клеток (рецепторов, ферментов и ионных каналов).
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены две модели механического поведения образца из периодонтальной связки при растяжении и сдвиге (образец содержит достаточно большое число волокон). На основе микромеханического анализа структуры периодонтальной связки для каждой из моделей получены макроскопические (осредненные), нелинейные соотношения между напряжениями и деформациями в замкнутой форме. Первая модель является развитием известной из литературы модели, которая была первоначально разработана для различного типа соединительных тканей (сухожилий, артерий, хрящей и кожи). Применение этой модели в случае периодонтальной связки, содержащей волокна коллагена, обладающие специальными свойствами, не позволяет получить удовлетворительного аналитического описания экспериментальных кривых напряжение - деформация. Предложена и изучена также новая, аналитически более простая, чем предыдущая, модель периодонтальной связки. Новая модель позволяет учесть в замкнутой форме обе составляющие деформирования периодонтальной связки, необходимые для правильного моделирования ее макроскопического поведения, - геометрическую (связанную с наклоном волокон) и механическую (связанную с нелинейным поведением волокон). Сопоставление теоретических и экспериментальных (полученных для свиных тканей) результатов демонстрирует хорошие потенциальные возможности новой модели. Рассмотренные модели являются полезными для понимания деталей механического поведения периодонтальной связки, а также служат основой для разработки микромеханического закона деформирования, необходимого при использовании метода конечных элементов для анализа системы кость / зуб.
Бесплатно
Статья научная
Существует множество способов лечения ишемической болезни сердца. Одним из наиболее популярных является коронарная ангиопластика (пластика сосудов) с имплантацией стента. Стенты - это разновидность металлического цилиндрического имплантата, используемого для того, чтобы прижать кровяную бляшку к артериальной стенке и расширить диаметр для возобновления кровотока. Однако успешная имплантация стента ограничена многими факторами, среди которых реакция ткани на механическое расширение просвета артерии имплантатом. Важным вопросом данного вмешательства является формирование тромба, который может увеличить риск повторной закупорки сосудов, происходящей в пределах стента, и, как следствие, риск инфаркта. Представленное исследование было направлено на микроскопический и гистологический анализ процессов, происходящих в просвете и стенках сосуда, в области, где сосуд был расширен коронарным стентом.
Бесплатно
Микроформовка нержавеющей стали SS304: экспериментальное и численное исследование
Статья научная
Представлено экспериментальное и численное исследование поведения нержавеющей стали SS304 в процессе микроформовки, особое внимание уделено влиянию ориентации образцов на деформационные характеристики. Нержавеющая сталь SS304, обладающая оптимальным сочетанием прочности и пластичности, находит широкое применение при изготовлении прецизионных миниатюрных деталей. Экспериментальная часть включала в себя проведение испытаний по методу Накадзимы для образцов, ориентированных под углами 0°, 45° и 90° к направлению прокатки. Исследования выполнялись на универсальной испытательной машине с последующим анализом параметров деформации с использованием оптикоизмерительной системы Sipcon CNC. Численное моделирование осуществлялось в программном комплексе Simufact Forming с построением диаграмм предельного деформирования для прогнозирования критических состояний материала. Результаты исследования демонстрируют выраженную зависимость деформационных характеристик SS304 от ориентации образцов к направлению прокатки, что подтверждает анизотропные свойства материала. Установлены критические значения деформации и выявлены закономерности изменения микроструктуры в процессе микроформовки, что имеет важное значение для оптимизации технологических параметров. Совместное применение экспериментальных и численных методов позволило получить комплексные данные о пределах формообразования и механизмах деформации SS304. Полученные результаты вносят особый вклад в развитие технологий микроформовки для производства высокоточных миниатюрных компонентов, где требуются строгий контроль свойств материала и точность геометрических параметров.
Бесплатно
Миогенная реакция церебрального сосуда: математическая модель
Статья научная
Миогенная реакция наиболее характерна для мелких артериальных сосудов и сводится к сужению сосуда при повышении трансмурального давления, разности давлений на внутренней и внешней сторонах сосудистой стенки. Существует множество моделей, описывающих эту реакцию. В моделях последних десятилетий кроме макрорастяжений и макродеформаций вводятся в рассмотрение их микроаналоги, что существенно усложняет описание. В представленной работе описывается простая модель стенки малой церебральной артерии, включающая основные параметры, управляющие миогенной реакцией, и соответствующая физиологическим представлениям о процессах осуществления этой реакции. Полагается, что активные напряжения зависят от растяжений и концентрации свободных ионов кальция в цитоплазме гладкомышечной клетки. В свою очередь, содержание кальция зависит от мембранного потенциала, определяемого величиной давления. Рассматривается осесимметричная стационарная задача, материал стенки в неактивированном состоянии полагается псевдоупругим. Расчеты показали качественное различие зависимости активного напряжения от растяжений и его распределения в радиальном направлении до и после развития сосудистой реакции. Вычисленные значения диаметра до и после воздействия веществ, влияющих на величину мембранного потенциала, находятся в диапазоне измеренных. Эти результаты свидетельствуют о том, что введение зависимости концентрации кальция от мембранного потенциала расширяет область применимости подобных моделей для оценки величины сосудистых реакций.
Бесплатно
Многозвенная трехмерная модель плавания микроорганизмов
Статья научная
Построена многозвенная трехмерная модель плавания микроорганизмов. Животное представлено как система связанных между собой эллипсоидов. Форма животного (параметры формы) определяется длинами связей, взаимной ориентацией эллипсоидов и их геометрическими размерами. Для указанной модели построена теория, позволяющая вычислить поступательное и угловое смещение животного по заданному изменению формы. Разработана процедура, рассчитывающая положения, линейные и угловые скорости частей модели. С помощью созданной компьютерной программы исследованы сценарии плавания простейших микроорганизмов - амебы, циклопа и эвглены.
Бесплатно
Статья научная
Данная работа является продолжением работ, развиваемых И.П. Ратовым с соавторами [1, 2, 3]. Для выработки системы подготовки элитных гребцов в академической гребле предлагается новый биомеханический подход к решению проблем отбора, комплектования экипажей и синхронизации действий гребцов в осенне-зимний период на двухместных (или многоместных) тренажерно- измерительных комплексах. Разработанный эргометрический комплекс управляется компьютером, что позволяет получить полный срез биомеханических характеристик гребцов и оценить синхронность их действий. Применение разработанного метода дает возможность новым экипажам быстрее достичь уровня специальной подготовленности, позволяющего конкурировать на равных с командами со стажем или теми, которые имеют возможность круглогодичной тренировки в лодке.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано влияние биологического процесса остеоинтеграции на изменение упругих модулей материала ножки эндопротеза тазобедренного сустава (углерод-углеродного композиционного материала) в областях с повреждениями кристаллитов пироуглерода. Повреждения возникают в результате предельных нагрузок, совершаемых человеком, что приводит к снижению несущей способности ножки эндопротеза. В результате повреждений пироуглеродная матрица становится аналогичной сыпучей гранулированной среде, что существенно снижает упругие свойства материала в целом. Положительное изменение упругих модулей материала ножки эндопротеза в процессе остеоинтеграции может привести к блокировке распространения областей повреждения и к увеличению несущей способности эндопротеза. Прогнозирование упругих модулей в поврежденных областях эндопротеза производится в два этапа. На первом этапе вычисляются упругие свойства новой матрицы в поврежденных областях, которая представляет собой сочетание остеобластов и пироуглеродной матрицы углерод-углеродного композиционного материала. На следующем этапе вычисляются эффективные свойства однонаправленного углерод - углеродного композиционного материала с модифицированной матрицей. При прогнозировании упругих модулей используется прямой метод гомогенизации, реализованный в модуле Ansys Material Designer . Прогнозирование эффективных свойств трехмерно-армированного углерод-углеродного композиционного материала, в поры которого внедрены остеобласты, производится по модели Тарнопольского. При моделировании нагружения используются пространственные модели костей человека, полученные при помощи компьютерной томографии и преобразованные в твердотельные модели. Величина нагрузки на биомеханическую систему определяется несущей способностью ножки эндопротеза при повреждениях в 4 областях без учета внедрения остеобластов. В исследовании приведены результаты расчетов полей напряжений и деформаций для конструкции эндопротеза тазобедренного сустава, представлена диаграмма деформирования ножки эндопротеза в координатах «нагрузка - перемещение», показывающая измененную несущую способность эндопротеза. Численные результаты наглядно демонстрируют влияние биологического процесса остеоинтеграции на изменение несущей способности эндопротеза и упругих свойств в поврежденных областях материала.
Бесплатно
Моделирование абдоминопластики с использованием больших деформаций
Статья научная
В работе рассмотрена операция абдоминопластики. Предложена модель, позволяющая описать вязкоупругое поведение кожи. Записаны определяющие соотношения для трехмерного напряженно-деформированного состояния. Разработана процедура идентификации интегрального оператора модели и определены параметры модели. Полученные результаты могут быть использованы для предоперационного планирования.
Бесплатно
Статья научная
Кинетическая схема взаимодействия миозиновых поперечных мостиков с актином, АТФ и продуктами ее гидролиза, АДФ и неорганическим фосфатом состоит из нескольких присоединенных к актину и отсоединенных от него состояний миозиновой головки и функций перехода из одного состояния в другое. Соответствующая математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных для плотностей распределения концентраций мостиков в каждом из состояний. Цель работы состояла в создании программного продукта для расчета различных кинетических моделей мышечного сокращения, а также в разработке конкретной кинетической модели, воспроизводящей результаты экспериментальных исследований стационарных сокращений мышцы при различных значениях температуры и концентраций АТФ, АДФ и неорганического фосфата. Реализован программный модуль, позволяющий рассчитать микро- и макроскопические характеристики мышечного волокна при изометрическом сокращении в условиях полной активации и в ходе стационарного укорочения с постоянной скоростью. Разработана модель, включающая в себя семь присоединенных и три отсоединенных состояния миозинового мостика, которая представляет собой обобщение модели Ferenczi et al. (2005), предложенной ранее для описания структурных изменений в сокращающихся мышечных клетках. Расчеты воспроизводят экспериментальные зависимости динамической жесткости волокна, развиваемой им силы и скорости потребления АТФ от скорости деформации (укорочения) волокна, температуры и концентраций субстрата и продуктов гидролиза АТФ.
Бесплатно
Моделирование виллизиевого круга человека в норме и при патологии
Статья научная
Целью работы является разработка рекомендаций по выбору типа лечения аневризм артерий головного мозга. Сформулирована краевая задача, описывающая течение крови в артериях головного мозга с упругими стенками. С помощью специализированных программных пакетов Mimics и Solid Works построены реалистичные геометрические модели артерий виллизиевого круга в норме и при наличии аневризм. При этом дано описание методики и основных этапов построения таких моделей, а также проведена оценка их пригодности для конечно-элементных расчетов. Далее проведен анализ ультразвуковых исследований артерий виллизиевого круга, сонных и позвоночных артерий, необходимый для получения параметров кровотока и постановки граничных условий. Кроме того, исследованы механические свойства образцов артерий виллизиевого круга, получены константы функции энергии деформации Муни–Ривлина.
Бесплатно
Моделирование влияния формы кровеносного капилляра на фильтрационно-реабсорбционные процессы
Статья научная
В данной работе представлен ряд усовершенствований известной модели фильтрационно-реабсорбционных процессов в кровеносном капилляре, позволяющих учитывать геометрию и особенности строения реального капилляра. Рассмотрены случаи капилляра с переменным радиусом пор в его стенке, конического капилляра и капилляра с локальным сужением стенок.
Бесплатно
