Статьи журнала - Российский журнал биомеханики
Все статьи: 925
Численное моделирование полного протеза коленного сустава с силиконовой прослойкой
Статья научная
При заболевании коленного сустава (остеоартрит) требуется его замена полным протезом. Как правило, этот протез состоит из трех частей: бедренного компонента из кобальтового сплава CoCrMo , большеберцовой вставки из полиэтилена и большеберцового компонента из титанового сплава Ti 6 Al 4 V . Данный тип протезов недостаточно функционален, так как после нескольких лет имплантации большеберцовая вставка из полиэтилена изнашивается и разрушается, что влияет на биосовместимость протеза и качество жизни пациента. В исследовании рассмотрены две модели полного протеза коленного сустава (с силиконовой прослойкой и без неё). Для описания механического поведения прослойки использовалась гиперупругая модель Муни - Ривлина. В данной работе рассматривается напряженно-деформированное состояние протеза при ударе в результате падения с высоты 75 см. Результаты показали, что перемещения первой модели составили 0,039 мм, а второй 1,41 мм. Сравнение полученных результатов с расчетами на здоровом колене показали, что поведение второй модели (с силиконовой вставкой) ближе к таковому здорового коленного сустава. Можно сделать вывод, что использование протеза с гиперупругой силиконовой вставкой делает имплантат более близким по механическим свойствам к здоровому колену и обеспечивает большую стабильность и демпфирование по сравнению с существующими полными протезами коленного сустава.
Бесплатно
Численное моделирование процесса агрегации эритроцитов в эксперименте с микропипетками
Статья научная
Предложен способ моделирования процесса агрегации эритроцитов численным методом конечных элементов. Представлены результаты моделирования эксперимента, в котором для образования парного агрегата эритроцитов в среде декстрана с молекулярной массой 150 кДа были использованы гидравлические микропипетки. Путем сопоставления результатов, полученных экспериментально, и выполненного численного моделирования определены параметры агрегации эритроцитов: значение давления нормального к поверхности эритроцитов, которое их притягивает; размер зоны контакта, энергия деформации мембран эритроцитов. Математическое моделирование процесса агрегации эритроцитов выполнено с учетом сдвиговых касательных напряжений. Значения сдвиговых напряжений получены по модели Куэтта и сопоставлены с результатами экспериментов по разделению парных агрегатов эритроцитов.
Бесплатно
Статья научная
Рост клеточной культуры в пористых скаффолдах зависит от архитектуры пор и распределения факторов роста, включая их десорбцию их пористой матрицы. Математическое моделирование позволяет количественно оценивать влияние геометрии каналов и граничных условий на морфологические и механические характеристики клеточной куль-туры. Представлена математическая модель роста клеточной ткани в порах скаффолда различной геометрии с учетом десорбции факторов роста из стенок пористой матрицы. Рассмотрены три конфигурации каналов: прямой, синусообразный и градиентно-периодический. В основе модели лежит вершинная модель, позволяющая отслеживать морфометрические, механические и энергетические характеристики каждой клетки во времени. Проведен сравнительный анализ ключевых показателей: темпов роста ткани, среднего фактора формы клеток, нормированной средней площади клетки, потенциальной энергии и распределения максимальных касательных напряжений. Показано, что форма канала существенно влияет на экстремальные значения механических характеристик при сходных средних показателях. Синусообразная геометрия канала приводит к повышенным пиковым значениям энергии, а также более вытянутую морфологию клеток. Прямые каналы обеспечивают более высокие темпы роста на ранних этапах. Градиентно-периодическая форма канала демонстрирует промежуточные значения по темпам роста и ключевым показателям. Полученные выводы могут служить основой для оптимизации архитектуры пористых носителей в тканевой инженерии с целью управления механической нагрузкой и морфологией клеток. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать морфологические и механические отклики клеточной культуры при изменение геометрии пор, что расширяет возможности целенаправленного проектирования скаффолдов.
Бесплатно
Численное моделирование течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы
Статья научная
Работа посвящена численному исследованию течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы. Данная проба является нагрузочной процедурой, а именно комплексом дыхательных действий, используемым врачами-флебологами для ультразвуковой диагностики клапанной несостоятельности. Измеряемая характеристика при пробе Вальсальвы - длительность обратного кровотока, возникающего во время закрытия клапана, по которой врач делает заключение о смыкаемости створок клапана. В работе построена численная модель венозного клапана подколенной вены на основе клинических данных. Решались нестационарные уравнения гидродинамики и движения упругой створки, при этом проба Вальсальвы моделировалась импульсным перепадом давления на входной границе участка вены с клапаном. Получены данные о поле скорости, продолжительности обратного течения, объеме утечек для разной упругости клапана, в том числе для здорового клапана и клапана с несостоятельностью. Для модели здорового клапана длительность обратного течения составила менее 1 с, а для несостоятельного клапана - более 1 с, что соответствует клиническим данным. Результаты расчетов могут быть использованы врачами-флебологами для уточнения процедуры диагностики клапанной несостоятельности.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе исследовано позднее клиническое расшатывание и последующее движение нецементированной вертлужной чаши на основе резорбционной перестройки костной ткани, вызванной высокими длительными сжимающими напряжениями после прямой полной артропластики тазобедренного сустава. Спрогнозировано влияние факторов биомеханического конструирования на резорбционную перестройку трабекулярной костной ткани, а также на величины напряжений и перемещений чаши. Составлены двумерные модели таза, содержащие и не содержащие вертлужную чашу, где использованы изотропные четырехузловые элементы. Предполагается, что когда относительные сжимающие напряжения в кости превышают некоторые определённые значения, то начинается резорбция губчатой костной ткани на границе между чашей и костной тканью. Увеличение толщины полиэтилена вследствие уменьшения размера головки бедра и металлизированной части были основными параметрами конструирования для снижения длительного расшатывания и последующего движения имплантата после установки. Кроме того, установлено, что критические углы нагрузок при повседневной активности так же как направления нагрузок являются важными факторами, влияющими на величины перемещения.
Бесплатно
Численное решение задачи оптимизации для определения параметров установки фиксаторов с памятью формы
Статья научная
Среди травм лицевого черепа переломы нижней челюсти возникают в 70-80% случаев. По мнению авторов, использование фиксаторов, изготовленных из сплавов с памятью формы, является наиболее предпочтительным. Однако в ходе операций перед хирургами встаёт проблема эффективного остеосинтеза. Использование субъективных способов решения данной задачи не всегда приводит к положительному результату (7-12% случаев осложнений) и не всегда учитывает индивидуальные особенности пациентов. С точки зрения биомеханики, при сращивании перелома важное значение имеет распределение напряжений, способствующих росту костной ткани. В работе представлено решение задачи оптимизации о нахождении позиций установки фиксаторов и усилий, создаваемых ими таким образом, чтобы напряжения на границе перелома были наиболее близки к оптимальным. В результате в работе получены значения параметров установки скобок для различных видов переломов нижней челюсти.
Бесплатно
Статья научная
Мягкие соединительные ткани являются оптимизированными композиционными материалами с механическими свойствами, зависящими от ориентации, так как они содержат также волокна, рационально распределенные в аморфной основной матрице. Неоднородные соотношения гиперупругости с укрепляющими волокнами применены для фиброзного кольца в диске. Формулировка, использумая в данной работе, позволяет дать соответствующее описание тканей диска и принять во внимание различный вклад основного материала и волокон. Несколько исследований было проделано, чтобы учесть переменные значения объемного содержания, распределения и наклоны волокон в области экспериментальных данных, имеющихся в литературе. Проведенное исследование доказывает специфический вклад коллагеновых волокон в механическое поведение межпозвоночного сегмента человека и подтверждает применимость настоящего приближения как точного инструмента для мягких тканей, усиленных волокнами.
Бесплатно
Эйлеров метод моделирования дисперсных систем на примере полимеразной цепной реакции
Статья научная
В работе на основе Эйлерова описания многофазных сред разработаны математическая и численная модели конвективной полимеразной цепной реакции (ПЦР). Математическая модель включает уравнения Навье – Стокса и переноса тепла для молекулярных фаз и растворителя, записанные в приближении Хеле – Шоу и Буссинеска, а также температурные условия, при которых происходят цепные реакции между молекулами. Для дисперсной фазы учитываются броуновская диффузия и термофорез. Проведена валидация метода на основе тестовых задач. Выполнено численное моделирование конвективной ПЦР в ячейке Хеле – Шоу. Получены поля распределения молекул ДНК, гидродинамические и тепловые поля, визуализация зон с протекающими реакциями, зависимость числа молекул ДНК от времени реакции, время удвоения числа молекул. При отсутствии термофореза результаты согласуются с данными однофазной модели конвективной ПЦР. Показано, что учет явления термофореза приводит к существенным отличиям в ходе реакции. К преимуществам подхода относится то, что он позволяет получить более универсальный метод для описания растворов высокомолекулярных соединений, обладающих дуализмом свойств, ведущих себя в одних ситуациях как истинные растворы, а в других как дисперсные системы.
Бесплатно
Эквивалентные электрические модели биологических объектов
Статья научная
Обсуждаются известные эквивалентные схемы замещения биологических объектов и предлагаются их модификации. Приводятся примеры анализа и описания спектров импедансов реальных биообъектов. Анализируются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики различных схем. Отмечается информативность частотной характеристики угла сдвига фаз. Для трехэлементных моделей, составленных из двух резисторов и одного конденсатора, установлены необходимые условия тождественности.
Бесплатно
Экспериментальная модель поступательных локомоций биологических объектов
Статья научная
Биологические объекты осуществляют движения в пространстве (локомоции) за счет изменения формы своего тела. Во многих опубликованных работах приведены детальные исследования кинематики локомоций. Однако сама связь между деформациями тела и мерой смещения объекта в пространстве в большинстве работ не рассматривается. В данной статье исследована модель поступательного движения самодеформирующихся тел, в рамках которой изменение формы тела связывается с его смещением в пространстве (локомоторная связь). Для количественного учета сил трения предложена и реализована в эксперименте модель с управлением массой тела путем присоединения известной массы к определенной его точке. Локомоторная связь получена на основе закона сохранения импульса в виде дифференциальной формы Пфаффа. Она была подвергнута проверке на экспериментальной модели самодеформирующегося тела. Для уменьшения помех, связанных с трением, исследуемое тело было помещено на воздушную дорожку (жесткий профиль с множеством отверстий, служащих для создания воздушной подушки). Поступательные локомоции реализованы за счет изменения формы тела и присоединения к нему дополнительной массы таким образом, чтобы это не влияло на положение системы. Управление осуществлялось с помощью программируемого микроконтроллера. Это позволило изменять режимы работы и задавать различные кривые в пространстве параметров. Для определения координат точек тела на нем были размещены контрастные метки, положение которых фиксировалось с помощью скоростной фотосъемки и вычислялось с помощью методов компьютерного зрения. После этого идентифицировались калибровочные потенциалы локомоторной связи. Показано хорошее соответствие теоретической модели результатам эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены результаты экспериментального исследования и теоретического анализа процесса иммобилизации актинобактерий на гидрофобизованных биосурфактантом хвойных опилках в колоночном биореакторе с псевдоожиженным слоем, формирующимся за счет высокой скорости (0,6–2,8 мл/мин) подачи бактериальной суспензии. Для поддержания опилок в рабочей зоне использовали расположенный на входе в биореактор фильтр из кварцевого стекла, который также позволял поддерживать однородную структуру носителя без прохождения воздушных пузырьков и снизить их вклад в формирование псевдоожиженного слоя. Процесс иммобилизации родококков контролировали по изменению показателя оптической плотности содержащейся в колбе бактериальной суспензии. При средней скорости подачи суспензии в биореактор процесс иммобилизации характеризовался равномерным снижением показателя оптической плотности в течение всего периода эксперимента. В то же время при минимальной и максимальной скоростях наблюдалось увеличение контролируемого показателя после 96 и 120 ч эксперимента соответственно. С течением времени в биореакторе происходят процессы иммобилизации свободных клеток, десорбции иммобилизованных клеток с поверхности частиц носителя с их последующим переходом в свободное состояние и распада клеточного мицелия на короткие палочковидные формы. Получена задача Коши для кинетических уравнений относительно зависимостей от времени концентраций свободных и иммобилизованных клеток. Установлено, что рассчитанные на основе разработанной математической модели показатели иммобилизации для четырех исследуемых скоростей подачи суспензии в биореактор согласуются с полученными экспериментальными данными. Предложенная математическая модель может быть использована для оптимизации кинетических параметров иммобилизационного процесса в биореакторе при его последующем масштабировании.
Бесплатно
Статья научная
Выполнено физическое и численное моделирование стационарного течения крови в области дистального соединения шунта с бедренной артерией по типу конец-в-бок. Угол между шунтом и артерией составлял 60°. Исследования проводились при двух числах Рейнольдса, соответствующих интервалу физиологических значений при оценке по среднему (Re = 240) и максимальному (Re = 1640) расходу крови в бедренной артерии человека за период сердечных сокращений. Эксперимент включал визуализацию течения и измерение мгновенных векторных полей скорости потока с использованием оптического метода SIV (Smoke Image Velocimetry). Расчеты проводились методом прямого численного моделирования (DNS). Рассматривалось следующее соотношение расходов через ответвления основной артерии: 80 % - в антеградном и 20 % - в ретроградном направлениях. Выявлены основные закономерности распределений профилей скорости и ее среднеквадратичных пульсаций по длине обоих ответвлений основной артерии. Обнаружено формирование областей отрыва потока в области разветвления и вторичных течений типа парных вихрей Прандтля первого рода. Установлено, что при Re = 240 течение в области разветвления сохраняет ламинарный характер, а при Re = 1640 наблюдаются признаки перехода к турбулентности, локализованные в пределах отрывных областей. Получены распределения продольной и окружной компонент вектора поверхностного трения. Показано, что в некоторых областях течения эти компоненты сопоставимы по величине. Установлены пространственные положения областей, в которых модуль трения для рассмотренных режимов течения ниже величины трения в неповрежденной артерии (развитое ламинарное течение в круглой трубе) при соответствующих числах Рейнольдса.
Бесплатно
Статья научная
В мире продолжается изучение биомеханики имплантационных зубных протезов и их искусственных опор. При этом отмечено различное отношение к наклонному положению дистальных имплантатов в кости и их двусторонней (мезиальной и дистальной) нагрузке. Отсутствие единого взгляда на рассматриваемую проблему определило цель исследования изучить в эксперименте распределение напряжений в периимплантатной кости у вертикальных (отвесных) и наклоненных имплантатов с отсутствием или наличием дистально расположенного тела протеза различной протяжённости с односторонней опорой на этих искусственных опорах. Для эксперимента нами использовано математическое моделирование методом конечных элементов. С его помощью изучались распределения и величины упругих напряжений в периимплантатной кости. В качестве геометрической модели использована модель верхней челюсти с установленным на ней имплантационным протезом, опирающимся на 4 имплантата. Следует отметить, что увеличение напряжения в материале протеза и компактной кости не являлось критичным и было гораздо меньше пределов прочности указанных сред при наклоне дистального имплантата с наличием дорзального тела с односторонней опорой на дистальном имплантате. Что же касается губчатой кости, то напряжения в ней в целом не показали зависимости положения имплантата и слабо возрастали при увеличении мезиодистальной протяженности дорзального тела протеза с односторонней опорой. Таким образом, математическое моделирование методом конечных элементов показало некритичность распределения упругих напряжений в протезе, дистальном имплантате, компактной и губчатой кости при различной конфигурации дистальных отделов протеза.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы было экспериментальное исследование существования в диске височно-нижнечелюстного сустава путей для движения жидкости и возможности этой жидкости течь под давлением. Знание таких особенностей строения диска дает более ясное представление о природе и механизме амортизации нагрузки, воспринимаемой височно-нижнечелюстным суставом.
Бесплатно
Статья научная
Моделирование механического поведения ePTFE-трансплантатов важно для совершенствования хирургического планирования и повышения эффективности лечения в кардио- и сердечно-сосудистой хирургии. Несмотря на широкую клиническую применимость из-за биосовместимости и долговечности, понимание механических свойств этого материала по-прежнему недостаточно полно. Часто исследователи опираются на ограниченные одноосные или двухосные эксперименты, не позволяющие полностью охарактеризовать анизотропные и нелинейные аспекты деформации. В данном исследовании применяется и проанализирован двухосный испытательный протокол с широким диапазоном деформаций, разработанный для мягких тканей. Многочисленные варианты нагружения, дополненные микроструктурными данными, полученными с помощью сканирующей электронной микроскопии, позволяют сформировать более полное экспериментальное описание материала. Результаты двухосного нагружения со сложным испытательным протоколом свидетельствуют о выраженной нелинейности и направленной зависимости напряженно-деформированного отклика ePTFE-трансплантата, связанной с его микроструктурой. Полученные данные включают семь различных нагружений и сочетаются в 127 неповторяющихся комбинациях для дальнейшей идентификации параметров четырех гиперупругих определяющих соотношений, том числе структурно-мотивированных. Показано, что выбор протокола испытаний влияет на точность аппроксимации деформационного поведения трансплантата, а учет структурных особенностей материала способствует более адекватному описанию механики. Набор экспериментальных данных, включающий кривые с учетом гистерезиса и без него, а также визуализацию микроструктуры, доступен в открытом доступе. Результаты позволяют рекомендовать использование комплексных двухосных испытательных протоколов для дальнейших исследований ePTFE-трансплантатов и разработки более релевантных определяющих соотношений, учитывающих как гиперупругие, так и вязкоупругие особенности трансплантата.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена количественному анализу микрорельефа зубной эмали и влияния отбеливания на ее структуру. Исследования проводились на областях размером 15х15 мкм, полученных при помощи атомно-силового микроскопа с неотбеленного, отбеленного один, а затем еще два раза зуба. Для описания общего вида микрорельефа предложен картографический метод - на эмали выделялись «равнинные» участки, а также низменности и возвышенности. Разработана методика структурного анализа этих составляющих: компактность, размер, периметр, площадь, объем, фрактальные размерности. Установлено, что структуры на поверхности эмали связаны фрактальными зависимостями, это говорит об их самоподобии на всем масштабе наблюдаемых размеров. Результаты показали, что первое отбеливание снимает пелликулу (пленка адсорбированных из слюны протеинов) с поверхности эмали. Дальнейшие отбеливания приводят к стиранию эмали, особенно в области низменностей рельефа; форма возвышенностей и впадин становится более округлой. Установленное уменьшение фрактальной размерности возвышенностей говорит об уменьшении прочности данных участков рельефа.
Бесплатно
Статья научная
Искусственный апвеллинг – перспективная технология подъема глубинных вод, бога-тых питательными веществами, для повышения продуктивности морских экосистем и вос-становления «океанических пустынь». Одним из механизмов, способных обеспечить такой подъем, является конвекция двойной диффузии, возникающая в стратифицированных средах. В данной работе исследуется возможность усиления конвекции двойной дифф-зии за счет вертикальных поршневых колебаний, что может повысить эффективность ис-кусственного апвеллинга. В работе представлены результаты экспериментального исследования влияния вертикальных поршневых колебаний на структуру и интенсивность конвекции двойной диффузии в двухслойной системе водных растворов NaCl и сахарозы в ячейке Хеле-Шоу. Поршневые колебания с частотой 2–4 Гц и амплитудой до 0,66 см реа-лизовывались с помощью гидравлического контура, вызывающего возвратно-поступательное движение двухслойной системы жидкостей вдоль стенок неподвижной ячейки. Методами пространственно-временного анализа исследована эволюция пальчико-вой структуры конвекции двойной диффузии. В отсутствие колебаний наблюдается клас-сическое развитие пальчиковых структур, распростряющихся вверх и вниз от начальной линии контакта слоев. При включении вибрационного воздействия структура становится более регулярной и приобретает выраженную вертикальную ориентацию. Обнаруженный эффект усиливается с увеличением амплитуды колебаний. Представлены результаты количественного анализа степени смешения исходных слоев с расчетом эффективного коэффициента диффузии Deff. Показано, что при амплитуде b = 0,66 см значение Deff уве-личивается в четыре раза по сравнению со случаем без колебаний, что объясняется ин-тенсификацией продольного переноса за счет вибрационно-индуцированной дисперсии, аналогичной дисперсии Тейлора. Полученные результаты подтверждают перспективность использования поршневых колебаний для интенсификации массообмена в стратифициро-ванных средах, включая системы искусственного апвеллинга.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является определение критической величины недопокрытия ацетабулярного компонента, при которой возможна его имплантация без использования дополнительной опоры. Актуальность данного исследования продиктована клинической практикой и отсутствием четких рекомендаций для тактики эндопротезирования с недопокрытием вертлужного компонента. На основе оригинального способа интраоперационного измерения площади недопокрытия вертлужного компонента были проведены предварительные расчеты для плоской параметрической модели с целью предварительной оценки диапазона критического процента недопокрытия. Совместно с практикующими врачами травматолагами-ортопедами был спланирован и проведен эксперимент, позволивший определить допустимые величины степени недопокрытия вертлужного компонента, при которых под действием статической нагрузки возможно функционирование протезируемого сустава. В процессе проведения экспериментов был изучен механизм потери несущей способности вертлужного компонента. Также было оценено влияние винтовой фиксации на несущую способность имплантата. На основании экспериментальных исследований сформулированы рекомендации для проведения операции эндопротезирования при дисплазии вертлужной впадины: при степени недопокрытия до 20% имплантат сохраняет несущую способность, до 35% - рекомендуется винтовая фиксация вертлужного компонента, свыше 35% - не гарантируется надежная стабилизация вертлужного компонента в суставе.
Бесплатно
Статья научная
Для проверки адекватности математического моделирования механического поведения бедренной кости с установленным эндопротезом тазобедренного сустава проведено экспериментальное исследование полей продольных деформаций наружного слоя бедренной кости при воздействии на нее вертикальной нагрузки в 3000 Н, близкой по величине и направлению к физиологическим нагрузкам, действующим на тазобедренный сустав. Анализ результатов экcперимента показал линейное поведение системы кость-имплантат при внешних нагрузках до 3000 Н. С помощью построенной пространственной конечно-элементной модели системы бедро-эндопротез были рассчитаны поля продольных деформаций бедренной кости при соответствующих проведенному эксперименту граничных условиях. Данные о механических свойствах элементов системы были заимствованы из литературных источников [Утенькин, Свешникова]. Сравнение результатов численного и натурного экспериментов показало соответствие экспериментальных данных численному решению, получаемому при следующих параметрах конечно-элементной аппроксимации: число узлов 84546, число элементов 54128.
Бесплатно
Статья научная
Аддитивные технологии дают возможность создавать медицинские изделия с неоднородной структурой. Структуры таких изделий, именуемые метаматериалами, позволяют не только уменьшить вес изделия, но и контролировать физико-механические свойства путем варьирования геометрии их микроархитектуры. Управление физико-механическими свойствами конструкций из метаматериалов может обеспечить снижение процента осложнений после операции, связанных с имплантацией. Данное исследование посвящено определению жесткостных и прочностных свойств различных типов решетчатых метаматериалов, используемых в дальнейшем для построения численной модели и проектирования эндопротезов, а также исследования элюции антибиотика из костного цемента. Проведено экспериментальное исследование цементированных и нецементированных решетчатых метаматериалов трех типов с двумя вариантами поворота сечения. Варианты углов сечения образцов определялись исходя из результатов численных экспериментов. Исследуемые образцы изготавливались методом лазерной стереолитографии на фотополимерном принтере с последующей постполимеризацией. Жесткостные свойства определялись путем натурных испытаний на четырехточечный изгиб. В результате были получены значения жесткости и максимальной нагрузки. Полученные значения нормировались на аналогичные значения контрольных образцов. Образцы с внедренным цементом были минимум на 28 % жестче, чем образцы без цемента. При сравнении численных и натурных экспериментов была выявлена качественная сходимость результатов для образцов первого и третьего типа при изменении поворота сечения. Но при этом максимальная нагрузка, возникающая при натурных экспериментах наиболее прочного образца, согласно численной модели, оказалась мало отличимой от значений максимальной нагрузки других типов образцов. Авторы связывают данный результат с зависимостью изменениями физико-механических свойств от геометрии и времени полимеризации.
Бесплатно
