Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 830
Расчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градиентной ячеистой структурой
Статья научная
Наиболее частыми причинами ревизионной хирургии после операции по замене тазобедренного сустава являются асептическое расшатывание (асептическая нестабильность) эндопротеза, разрушение кости в результате взаимодействия с эндопротезом, а также перипротезный перелом. Причины подобных явлений вызваны перераспределением нагрузки на костную ткань при эндопротезировании, которое возникает из-за различия жесткости эндопротеза и кости. При производстве эндопротезов широко применяется титановый сплав, который имеет хорошую биосовместимость, обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, но такие эндопротезы являются более жесткими по сравнению с бедренной костью. Эти проблемы стимулировали рост интереса к поиску оптимальных материалов и топологии бедренного имплантата. В настоящее время большую популярность набирают аддитивные технологии, позволяющие создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, управляя которыми можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Такие материалы находят свое применение в производстве эндопротезов бедренного сустава, позволяя создавать эндопротезы, механические свойства которых приближены к механическим свойствам бедренной кости, а их пористая структура, в свою очередь, способствует врастанию живой ткани в глубь эндопротеза. Авторами выполнено проектирование и моделирование эндопротеза из градиентного материала, механические свойства которого соответствуют механическим свойствам бедренной кости человека. С помощью инструмента численного моделирования ANSYS Mechanical определено влияние топологии эндопротеза на напряженно-деформированное состояние кости и их совместную работу при различных видах активности человека.
Бесплатно
Рациональная конструкция магнитного фиксатора в съёмном зубочелюстном протезе
Статья научная
Предложена рациональная конструкция магнитного фиксатора в съёмном зубочелюстном протезе, использующая замкнутый магнитный контур. Решены прямая и обратная задачи оптимизации количества магнитных контуров на единицу длины. Получена универсальная аналитическая зависимость силы взаимодействия самарий-кобальтового магнита с ферромагнетиком. Уникальность данного соотношения состоит в том, что оно справедливо для самарий- кобальтового магнита цилиндрической формы произвольного объёма, причём сечение магнита может быть как круглым, так и овальным, квадратным и др., что немаловажно при выборе ортопедической конструкции в различных клинических ситуациях.
Бесплатно
Реакция височно-нижнечелюстного сустава и усилия жевательных мышц
Статья научная
Исследовано влияние точки приложения (точка на поверхности суставного мыщелка, определяемая как кратчайшее расстояние между суставными поверхностями височно-нижнечелюстного сустава) реакции в височно-нижнечелюстном суставе на ее величину, а также на величины усилий жевательных мышц. Одни и те же координаты точки приложения реакции могут получиться при различных положениях диска относительно суставных поверхностей. В данной работе получены следующие зависимости усилий мышц и реакции в височно-нижнечелюстном суставе: а) усилия в мышцах-поднимателях уменьшаются практически линейно по мере приближения точки приложения реакции к точке приложения силы кусания; б) усилия в мышцах-опускателях практически равны нулю; в) при симметричном нагружении проекции векторов реакций на ось, соединяющую центры мыщелков, равны нулю; г) величина реакции по мере приближения к нормальному положению точки приложения реакции (в норме находится в переднем отделе суставной щели) и точке приложения силы кусания (сила кусания приложена в плоскости симметрии нижней челюсти в области первых моляров) уменьшается, а затем вновь увеличивается, т.е. график зависимости имеет точку минимума; д) усилия в мышцах-выдвигателях (верхняя и нижняя наружные латерально-крыловидные мышцы) ведут себя более сложно: 1) усилие в верхней приблизительно равно константе по мере приближения к суставной ямке от слухового прохода, затем резко уменьшается почти до нуля, а потом вновь резко увеличивается после прохождения нормального положения диска; 2) усилие в нижней по мере приближения точки приложения реакции к точке приложения силы кусания начинает увеличиваться стремительно после прохождения нормального положения точки приложения реакции. Данные зависимости показывают, что верхняя и нижняя наружные латерально-крыловидные мышцы работают таким образом, чтобы височно-нижнечелюстной сустав мог выполнять свои функции, и предотвращают перегрузку диска, особенно при заднем и переднем положениях. Одним из выводов является то, что авторам удалось подтвердить утверждение о том, что величина реакции при правильном положении диска минимальна.
Бесплатно
Реализация методики коррекции прикуса человека
Статья научная
В работе анализируется методика коррекции прикуса с учетом количественных показателей состояния зубочелюстной системы человека. На основании алгоритма коррекции прикуса с учетом физиологических диапазонов нормальных значений стоматологических параметров, определяющих положение прикуса, проведен анализ влияния этих параметров на усилия жевательных мышц и реакцию височно-нижнечелюстного сустава. При увеличении угла ANB, отвечающего за передне-заднее положение нижней челюсти относительно черепа, величины усилий жевательных мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава практически линейно возрастают. Почти аналогичная картина зависимостей величин усилий жевательных мышц и реакции височно-нижнечелюстного сустава характерна для угла жевательной эффективности DoA за исключением правой границы нормальных физиологических значений, при которых величина усилия в передней медиальной крыловидной мышце и величина реакции височно-нижнечелюстного сустава начинает уменьшаться. Установлено также, что при увеличении угла наклона нижней челюсти FH-ML величины усилий жевательных мышц и реакция височно-нижнечелюстного сустава практически линейно убывают. В ходе анализа влияния точки приложения реакции височно-нижнечелюстного сустава, отвечающей за положение диска относительно суставных поверхностей мыщелка и височной кости, было получено, что при нахождении диска в физиологическом положении усилия жевательных мышц меняются незначительно, а при выходе из этого положения в переднее положение величины усилий в поверхностной и передней медиальной крыловидной мышцах, а также величина реакции височно-нижнечелюстного сустава резко начинают возрастать. Совместный учет влияния точки приложения реакции и стоматологических параметров в физиологических диапазонах их нормальных значений позволит, по мнению автора, уточнить прикус, выбранный стоматологом в рамках физиологических нормальных значений стоматологических параметров, чтобы при окончательной постановке прикуса ни одна из жевательных мышц не была перегружена по сравнению с другими, а также чтобы диск височно-нижнечелюстного сустава не был перегружен.
Бесплатно
Регуляция транскапиллярного обмена пульсовым давлением крови звена микрогемоциркуляции
Статья научная
Исследуются физические механизмы транскапиллярного обмена живого организма. Объектом исследования являются лабораторные животные, а в качестве экспериментальных средств используются оригинальные лазерный и электрофизиологический методы.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены вопросы динамического моделирования биомеханических систем, состоящих из большеберцовой кости человека и устройств внешней фиксации в виде простейшей рамной конструкции и аппарата Илизарова. Использован метод конечных элементов, реализованный в виде программного кода MechanicsFE на основе 20-узловых изопараметрических элементов. Численный вибрационный анализ позволил определить как основные низшие резонансные частоты и формы колебаний системы, так и амплитудно- частотные характеристики системы в различных точках на поверхности кости и фиксатора. Различные варианты механических параметров регенерирующей костной ткани в зоне перелома были рассмотрены для математического моделирования срастания кости. Значения резонансных частот и формы колебаний, полученные в результате вибрационного анализа неповрежденной кости и кости в аппарате внешней фиксации, могут служить теоретическим фундаментом для разработки вибрационных резонансных методов диагностики состояния костной мозоли после перелома и проведенной хирургической операции.
Бесплатно
Статья научная
Челюстно-лицевая имплантология имеет тенденцию к постоянному совершенствованию. Рассматриваемая проблема лежит в плоскости восстановления дефектов кости челюстей, образовавшихся по различным причинам. Постоянно меняется спектр имплантационных материалов, однако их структура остается неизменной - монолитной. Цифровые технологии позволяют создать структурированные имплантаты. Авторами предложены конструкции, состоящие из гранецентрированной кубической решетки кристалла, и разработана технологическая карта. Морфологические исследования, проведенные через 1, 3, 4 и 9 месяцев после пересадки имплантата с ячейками размером 250, 550 и 850 мкм, показали, что в эти сроки все ячейки содержали пластинчатую костную ткань с тем лишь отличием, что около ряда более мелких перемычек в 4 месяца еще встречаются отдельные островки грубоволокнистой кости. Это свидетельствует о перспективном направлении в реконструктивной хирургии. Ретроспективное исследование за период 15-летнего наблюдения после проведенных пластических операций показало их малоэффективность. Из 85 проведенных пластических операций осложнения выявили у 9 (37,5%) пациентов, что свидетельствует о необходимости поиска новых изменений в структуре материалов. В последнее время в тех или иных клинических случаях уже достигнуты определенные успехи. Тем не менее большее количество исследований находится пока на стадии теоретических разработок без проведения доклинических экспериментальных и клинических испытаний.
Бесплатно
Статья научная
В процессе эксплуатации протеза в кости, окружающей ножку, развивается остеопения (растёт пористость, убывает минеральное содержание) и, как следствие, уменьшается жесткость костной ткани, что ведет к расшатыванию эндопротеза. Рост пористости и деминерализация обусловлены факторами механической природы (адаптационной реакцией кости на снижение нагрузки) и нарушением питания проксимального отдела бедра в результате остеотомии и формирования костного ложа для эндопротеза. Цель работы состоит в количественной оценке влияния пористости костной ткани и деминерализации матрикса на уменьшение массы кости. Изменение во времени пористости и механических свойств костной ткани, окружающей ножку имплантата, моделируется с учётом взаимовлияния внутренней и внешней перестройки. Установлено несущественное влияние внешней перестройки на процесс адаптации плотной кости. Оценка вкладов пористости и деминерализации в общий баланс наблюдаемых потерь кости сделана с помощью полученного в работе уравнения баланса потерь массы костной ткани по известным экспериментальным данным. Согласно расчетам величина потери массы кости в проксимальной части протезированного бедра от деминерализации составила 70% от общей потери, тогда как на долю адаптационной резорбции приходится 30%.
Бесплатно
Роль главных деформаций в периодонтальной связке зуба при долговременной интрузии
Статья научная
Данная статья представляет собой предварительную теоретическую попытку вывести оригинальные количественные формулы в ортодонтии. Основываясь на ранее полученных аналитических формулах для напряжений и деформаций внутри периодонтальной связки (ПДС) для конкретного случая центрального резца в ходе интрузии, деформации были непосредственно связаны с движением поверхности раздела между альвеолярной костью и ПДС, называемой поверхностью кости. Строго показано, что нормальные и сдвиговые деформации в ПДС имеют одинаковую значимость для поверхности кости. В соответствии с этим и среднее арифметическое, и среднее геометрическое главных деформаций в ПДС играют важную роль в процессе перестройки. В целом предложенные формулы отличаются от предыдущих, которые успешно применялись для описания перестройки в длинных костях. Предложенная теория также подтверждена конечно- элементным анализом.
Бесплатно
Роль жидкой фазы и пористой структуры хряща в формировании биомеханических свойств суставов. Часть 1
Статья научная
Рассмотрены основные факторы, обусловливающие деформационные и фрикционные свойства хряща сустава при статическом и динамическом нагружении. Отмечается существенная нелинейность деформаций, обусловленная микрофильтрацией жидкости в хрящевом матриксе. Показано, что динамически оптимальное функционирование сустава в физиологической норме обеспечивается подвижностью двухфазной структуры хрящевой матрикс-синовиальная жидкость.
Бесплатно
Роль жидкой фазы и пористой структуры хряща в формировании биомеханических свойств суставов. Часть 2
Статья научная
Антифрикционные характеристики суставов обусловлены синергизмом хрящевого матрикса и присутствующей в нем жидкой фазы, который проявляется, в частности, в существовании градиента механических свойств хряща по глубине. Для послойной диагностики указанных свойств с минимальным воздействием на биоткань использован метод контактного индентирования и разработано устройство, позволяющее измерить контактные деформации с нанометрической точностью. Изучен процесс деформирования образцов суставных хрящей колена свиньи при сжатии и разгрузке в различных жидких средах; получены данные об изменении модуля упругости по глубине хряща. Показано, что, анализируя деформирование хряща в цикле «нагрузка/разгрузка», можно подбирать искусственные смазки, адекватные натуральной синовии. Разработанная экспериментальная техника применима для выбора материалов эндопротезов.
Бесплатно
Роль зубоальвеолярного блока в формировании жевательного аппарата
Статья научная
Рассмотрены роль и развитие зубоальвеолярного блока человека на различных этапах формирования жевательного аппарата. Выявлена функциональная взаимосвязь между воспринимаемой нагрузкой и его анатомической формой.
Бесплатно
Статья научная
Обсуждается опыт преподавания профильных разделов естествознания при подготовке студентов-биомехаников в Национальном исследовательском политехническом университете. Дисциплина рассматривается как основа формирования у студентов-биомехаников общего представления об анатомии и физиологии организма человека, методах исследования и оценки его функционального состояния. Значительное внимание уделено организации и выполнению самостоятельных научных экспериментальных исследований студентами младших курсов в учебное время и во время летней практики. Предлагаемые студентам первого курса темы для экспериментальных исследований направлены на изучение биомеханики дыхания при различных условиях, механизмов поддержания равновесия, роли обратной связи при удержании равновесия, гемодинамики и т.д. Выполнению научной работы предшествует изучение литературы по теме исследований и написание обзора литературы. В процессе выполнения научной работы студенты знакомятся с особенностями и принципами проведения исследований на человеке, овладевают необходимыми методиками, осваивают методы статистической обработки полученных данных, формулируют выводы, приобретают навыки изложения результатов научных исследований в устной и письменной форме. Целесообразность включения студентов младших курсов в исследовательскую работу авторы связывают с возникающей необходимостью перехода от учебно-образовательного процесса к научно-образовательному процессу, междисциплинарной интеграции - с возможностью формирования заданных компетенций и приобретением первоначальных практических умений и навыков в соответствии с направлением обучения. Самостоятельные экспериментальные исследования студентов могут служить началом построения индивидуальных образовательных программ и индивидуализации обучения.
Бесплатно
Статья научная
Турбулизация кровотока у пациентов с патологической извитостью внутренних сонных артерий при скорости свыше 1 м/с (Re > 1140), возникновение пристеночных вихрей и увеличение скорости кровотока в результате уменьшения гидравлического диаметра сонных артерий приводят к увеличению гемодинамического сопротивления сосудистой сети и гипоперфузии головного мозга. Многообразие форм и сложность геометрической конфигурации артерий при их патологической извитости требуют индивидуального подхода при определении показаний к хирургическому лечению и выборе способа операции. В работе предложены объективные биомеханические критерии, основанные на инструментальных клинических исследованиях гемодинамических нарушений и определении градиента давления на участках изменения геометрии сосудов. Комплексное использование анатомических и гемодинамических параметров позволяет оценить градиент давления и энергетические потери при патологической извитости внутренних сонных артерий любой геометрической конфигурации. Установлено расширение проксимального участка артерии по отношению к патологическому изгибу, обусловленное тем, что диаметр устья внутренней сонной артерии при односторонней патологической извитости превышает диаметр устья на контралатеральной стороне. В артериях диаметром 4 мм появление пристеночных вихревых течений происходит при скорости 1,2 м/с, а полная турбулизация - при скорости 1,4 м/с. При увеличении диаметра сонных артерий до 6 мм скорость кровотока, при которой появляются пристеночные вихревые течения, составляет 0,8 м/с, а турбулизация кровотока регистрируется при скорости 1 м/с.
Бесплатно
Роль микрореологических свойств эритроцитов в неньютоновском поведении цельной крови
Статья научная
На пробах цельной крови и суспензий эритроцитов показано, что их течение хорошо описывается моделью степенного закона вида y = ax-n неньютоновской жидкости. Совпадение экспериментальных точек с математической моделью составило более 99%. Сравнение степени неньютоновости при течении цельной крови и суспензии эритроцитов в изотоническом растворе NaCl (где имеется обратимое объединение клеток в агрегаты) показало, что она была более выражена в цельной крови. Разница по двум показателям неньютоновости составила 24 и 43%. Нарастание текучести суспензии эритроцитов при увеличении напряжения сдвига в основном связано с деформируемостью эритроцитов. Это подтверждается наличием корреляции между показателями вязкости суспензии и индексом удлинения эритроцитов (r = -0,830) и сходными регрессионными моделями течения и деформации эритроцитов. Изменение микрореологических свойств эритроцитов, их деформируемости и агрегации может происходить при активации клеточных молекулярных сигнальных путей. Было показано, что под влиянием пентоксифиллина, верапамила и клотримазола происходит достоверное изменение деформируемости (на 10-24%) и агрегации (на 30-32%). Эти данные свидетельствуют о регуляторной перестройке микрореологических свойств эритроцитов при воздействии на ионные каналы мембраны эритроцитов (верапамил и клотримазол) и на внутриклеточные ферментные системы (пентоксифиллин). Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что неньютоновское поведение крови существенным образом связано с деформационными свойствами мембраны эритроцитов и эти механические свойства могут регуляторным образом изменяться под влиянием сигнальных молекул.
Бесплатно
Роль перистоматических колец в работе устьичного аппарата
Статья научная
Устьица - структурные элементы эпидермы, участвующие в регуляции газообмена и водного режима растений. Каждое из них состоит из двух замыкающих клеток, разделенных устьичной щелью. Известно, что ширина щели зависит от величины тургорного давления в замыкающих клетках и строения их оболочек. В данной работе методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS изучена роль перистоматических колец - выростов клеточной оболочки, опоясывающих у ряда растений устьица, в работе устьичного аппарата. Показано, что они оказывают влияние на степень и характер деформации замыкающих клеток. В сочетании с неравномерным утолщением их оболочек и наличием наружного кутикулярного выступа кольца обеспечивают погружение открывающейся устьичной щели вглубь листа. Обсуждается биологическое значение явления.
Бесплатно
Статья научная
Хирургическое лечение перегрузочной метатарзалгии является актуальной проблемой, так как этому заболеванию подвержено большое количество больных старшего возраста. Этому способствует полиэтиологичность данного заболевания. В статье представлен сравнительный анализ различных видов хирургического лечения этой патологии. Показана эффективность хирургической техники, которая дополнялась реинсерацией подошвенной связки плюснефалангового сустава к месту отрыва от проксимальной фаланги пальца по сравнению с классической остеотомией малых плюсневых костей и фаланг пальцев. С целью доказательства эффективности предлагаемых способов лечения использовался метод подобарометрии.
Бесплатно
Сверхэластичность и механические свойства тонкой проволоки tini после термообработки
Статья научная
Сплавы на основе никелида титана активно используются в медицине в качестве имплантатов. Особую популярность получила проволока из никелида, которую применяют для изготовления сетчатых имплантатов, использующихся в рабочих элементах для ортодонтических аппаратов, искусственных связках при разрывах сухожилий и др. Однако, перед производством изделий из проволоки никелида титана последнюю подвергают термообработке для придания нужной формы в процессе обжатия. Многие работы посвящены исследованию отжига проволок толщиной более 1 мм, поэтому целью данной работы будет представление результатов изучения структуры и механических свойств никелидтитановых проволок диаметром 100 мкм, отожженных при 300, 400, 500, 600 °C. Деформационное поведение проволоки исследовалось после испытаний на прочность при растяжении. Полученные кривые растяжения описывают его механические свойства и сверх-эластичность. Поверхность излома проволоки исследовалась на сканирующем электрон-ном микроскопе с энергодисперсионным рентгеновским анализатором. Также проводился фрактографический анализ основных характеристик излома. Установлено, что прочность на разрыв и мартенситное напряжение сдвига уменьшаются с увеличением температуры отжига. Условия отжига, определенные полученными результатами, не подавляют сверх-эластичность проволоки, а придают ей прочность и пластичность, необходимые для медицинских целей. Образцы проволоки, отожженные при 300 и 400°С, демонстрируют схожее сверхэластичное поведение при циклических испытаниях, характеризующихся механическим гистерезисом и 1 % остаточной деформации. Отжиг проволоки толщиной 100 мкм при 500 и 600 °C спровоцировал большую остаточную деформацию после циклических испытаний.
Бесплатно
Связь наследственной тромбофилии с выкидышами и мертворождениями: исследование населения Грузии
Статья научная
Наследственная тромбофилия повышает риск не только венозной тромбоэмболии во время беременности, но и осложнений беременности, опосредованных плацентой, включая выкидыши и мертворождения. Связь между тромбофилией и плацентарно-опосредованными осложнениями беременности была противоречивой в различных ретроспективных исследованиях «случай - контроль» и проспективных когортных исследованиях. Очевидно, что тромбоз плацентарных сосудов, приводящий к аномальной плацентации, по крайней мере частично ответственен за эти осложнения беременности. В данном ретроспективном исследовании методом «случай - контроль» участвовали пациентки с осложнениями беременности (выкидыши, мертворождения), а также здоровые лица, соответствующие контрольной группе. Распространенность мутации фактора V Лейдена была статистически значимо выше у женщин с выкидышами (420 пациентов; 4,8 %; p =0,026) или мертворождениями (120 пациентов; 9,8 %; p =0,001). Распространенность гомозиготной мутации метилентетрагидрофолат редуктазы C677T была статистически значимо повышена у женщин с выкидышами (420 пациенток; 7,6 %; p =0,015) и была слабой у пациенток с мертворождениями (120 пациенток; 4,9 %; p =0,102). Распространенность мутации метилентетрагидрофолат редуктазы у пациенток с двумя выкидышами ( N =205) была значительной (7,8 %; p =0,015). Мы обнаружили слабую или отсутствующую связь между мутацией протромбина G20210A и выкидышами ( N =420; 3,8 %; p =0,156) или мертворождениями (120 пациентов; 2 %; p =0,572). Исходя из наших данных, женщины с фактором V Лейдена и мутацией метилентетрагидрофолат редуктазы имеют повышенный риск развития выкидышей и/или мертворождения. Мутация гена протромбина имеет слабую или нулевую связь с изученными осложнениями беременности основывается на положительных посевах крови и помогает разработать стратегию лечения.
Бесплатно
Силы инерции в задачах биомеханики
Статья научная
Как известно, в динамике относительного движения рассматриваются понятия переносной и кориолисовой сил инерции. Эти силы объединяются общим термином «эйлеровы силы инерции». В принципе Даламбера используется величина, равная взятому со знаком «минус» произведению массы материальной точки на ее ускорение в данной системе отсчета. Данная величина обозначается термином «даламберова сила инерции». Зачастую за рамками изучения остается вопрос о существовании сил инерции. Поскольку эйлеровы и даламберова силы инерции не подчиняются третьему закону Ньютона, то эти силы не являются физическими в смысле, принятом в механике. Несмотря на это, математические приемы, используемые в динамике относительного движения и принципе Даламбера, нашли широкое применение в различных областях механики за счет того, что введение сил инерции упрощает описание некоторых механических явлений, наблюдаемых в природе. В частности, с помощью понятия «силы инерции» становится более простым и наглядным решение некоторых проблем биомеханики. Для демонстрации данного утверждения в представленной работе проводится решение двух задач: 1) исследование траектории весенней миграции полярной крачки; 2) исследование кровотока в общей сонной артерии летчика, выполняющего на самолете мертвую петлю.
Бесплатно
