Механическое поведение материала из никелида титана при растяжении и оценка биомеханической совместимости
Автор: Марченко Е.С., Козулин А.А., Топольницкий Е.Б., Шефер Н.А., Ветрова А.В., Ковалва М.А.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 (104) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
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.
Никелид титана, проволока, металлотрикотаж, моделирование, эндопротезирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146282976
IDR: 146282976 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.04
Mechanical behavior of titanium nickelide material under stretch and evaluation of biomechanical compatibility
The work investigated the features of the deformation behavior of metal knitwear knitted from thin wire made of a TiNi-based alloy, and also carried out an experimental assessment of its biological compatibility. The obtained experimental stress-strain diagrams fully correspond to the typical tensile diagrams of superelastic TiNi alloys with a martensitic transition. The obtained nonlinear dependences of the tension of metal knitted fabric knitted from TiNi wire are rheologically similar to hyperelastic materials and differ from the obtained tension diagrams of the original wire. It was found that the tension-bonded design of the knitted fabric limits the manifestation of the superelasticity effect characteristic of wire. It has been shown that the tensile strength of knitwear is significantly lower than the tensile strength of wire. Using numerical modeling methods, a complex stress state during deformation is shown, which leads to inhomogeneity in the distribution of stresses in the metal knitted fabric structure and the localization of their maximum values in the contact area, thereby confirming the hypothesis about the suppression of superelasticity due to design features. An analysis of the stress distribution in the material of the loops showed that stretching in the range of physiological loads does not lead to local destruction of titanium nickelide metal knitwear. The results of an experimental study with a macroscopic assessment of the implantation zone demonstrated the absence of hernia defects in the area of endoprosthetics, and the adhesive process was recorded only in 3 (15%) cases. The endoprosthesis replacement area was elastic and easily deformable. The porous structure of the TiNi wire, as well as the biomechanical and biochemical properties of the two-layer metal jersey ensure optimal integration of the endoprosthesis in the body tissues and contribute to the formation of an elastic frame close to the natural one. Bilayer TiNi knitwear has shown promising results in replacing complex anatomical structures, which opens up prospects for further clinical research.
Список литературы Механическое поведение материала из никелида титана при растяжении и оценка биомеханической совместимости
- Repair of orbital post-traumatic wall defects by custom-made tini mesh endografts / V. Shtin, V. Novikov, T. Chekalkin, V. Gunther, E. Marchenko, E. Choynzonov, S.B. Kang, M.J. Chang, J.H. Kang, A. Obrosov // J. Funct. Biomater. - 2019. - Vol. 10, no. 3. - P. 1-9. DOI: 10.3390/jfb10030027.
- Biocompatibility of Porous SHS-TiNi / V. Gunter, Yu. Yasenchuk, S. Gunther, E. Marchenko, M. Yuzhakov // Materials Science Forum. - 2019. - no. 970. - P. 320-327. DOI: 10.4028/www. scientific.net/MSF.970.320.
- Biomimetic approaches for the design and fabrication of bone-tosoft tissue interfaces / C.P. Kruize, S. Panahkhahi, N.E. Putra, P. Diaz-Payno, G. Van Osch, A.A. Zadpoor, M.J. Mirzaali // ACS Biomaterials Science & Engineering. -2023. - no. 9. - P. 3810-3831.
- Superelastic structures: A review on the mechanics and bio-mechanics / H.B. Khaniki, M.H. Ghayesh, R. Chin, A. Marco // International Journal of Non-Linear Mechanics. - 2023. -no. 148. - P. 104275.
- A superelastic model to capture the mechanical behaviour and histo-logical aspects of the soft tissues / K.K. Dwivedi, P. Lakhani, S. Kumar, N. Kumar // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2021. - no. 126. -P. 105013.
- Особенности изготовления и клинического применения пористых имплантатов из титана для лечения травм и заболеваний позвоночника / М.Ю. Коллеров, Е.А. Давыдов, Е.В. Завгородняя, М.Б. Афонина // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 1. -С. 73-84.
- Engineering aspects of shape memory alloys / T. Duerig, K. Melton, D. Stockel, C. Wayman // Butterworth-Heinemann. -1990. - P. 130-136.
- Эффект размягчения при циклическом растяжении трикотажа из никелида титана / Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, А.В. Ветрова, С.В. Гюнтер, Г.А. Байгонакова, А.С. Гарин // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2021. -Т. 27, № 4. - С. 459-481.
- Клиническое применение металлотрикотажа из никелида титана на основе количественной оценки реологического подобия мягким биологическим тканям / Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, С.В. Гюнтер, А.А. Козулин, А.В. Ветрова, А.С. Полонянкин, О.А. Фатюшина, А.Н. Вусик // Вопросы реконструктивной и пластической хирургии. - 2022. - Т. 25, № 2. - С. 68-81. DOI 10.52581/18141471/81/07.
- Somuncu, Ö.S. Decellularization concept in regenerative medicine / Ö.S. Somuncu // Cell Biology and Translational Medicine. - 2020. - Vol. 6. - P. 71-85.
- Extracellular matrix scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine / S. Yi, F. Ding, L. Gong, X. Gu // Curr. Stem Cell Res. Ther. - 2017. - no. 12. - P. 233-246.
- Novosel, E.C. Vascularization is the key challenge in tissue engineering / E.C. Novosel, C. Kleinhans, P.J. Kluger // Advanced Drug Delivery Reviews. - 2011. - no. 63. -P. 300-311.
- Fabrication and in vivo evaluation of an osteoblast-conditioned nano-hydroxyapatite/gelatin composite scaffold for bone tissue regeneration / A. Samadikuchaksaraei, M. Gholipourmalekabadi, E. Erfani Ezadyar, M. Azami, M. Mozafari, B. Johari, S. Kargozar, S. B. Jameie, A. Korourian, A. M. Seifalian // Journal of Biomedical Materials Research Part A. - 2016. - Vol. 104, no. 8. -P. 2001-2011.
- When size matters: Biological response to strontium-and cobalt-substituted bioactive glass particles / S. Kargozar, F. Baino, N. Lotfibakhshaiesh, R.G. Hill, P.B. Milan, S. Hamzehlou, M.T. Joghataei, M. Mozafari // Mat. Today Proc. - 2018. - no. 5. - P. 15768-15775.
- Замещение пострезекционных дефектов перикарда, диафрагмы, грудной стенки сетчатым имплантатом из никелида титана / Е.Б. Топольницкий, Г.Ц. Дамбаев, Н.А. Шефер, В.Н. Ходоренко, Т.И. Фомина, В.Э. Гюнтер // Вопросы реконструктивной и пластической хирургии. -2012. - Т. 15, № 40. - С. 14-21.
- Имплантаты с памятью формы в торакальной хирургии / Г.Ц. Дамбаев, Е.Б. Топольницкий, В.Э. Гюнтер, Н.А. Шефер, В.Н. Ходоренко, Е.Г. Соколович, Т.И. Фомина, В.А. Капитанов, А.А. Жеравин, С.В. Гюнтер, J.H. Kang, Ю.Ф. Ясенчук, J.S. Kim, О.В. Кокорев, Т.Л. Чекалкин, Н.В. Артюхова, М.И. Кафтаранова, Е.С. Марченко, А.В. Проскурин, А.Н. Матюнин, С.Г. Аникеев - Томск: Научно-производственное предприятие «МИЦ», 2016. - 232 с.
- Замещение циркулярных дефектов трахеи лоскутом аутоперикарда в комбинации с никелид-титановой (экспериментальное исследование) / Е.Б. Топольницкий, Г.Ц. Дамбаев, Н.А. Шефер, В.Н. Ходоренко, В.Э. Гюнтер // Вестник новых медицинских технологий. - 2012 - Т. 19, № 3. - С. 97-100.
- Реакция тканей на сетчатый имплантат из никелида титана после замещения пострезекционных дефектов анатомических структур грудной клетки / Е.Б. Топольницкий, Г.Ц. Дамбаев, В.Н. Ходоренко, Т.И. Фомина, Н.А. Шефер, В.Э. Гюнтер // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2012. -Т. 153, № 3. - С. 366-370.
- Obrosov evaluation of clinical performance of TiNi-based implants used in chest wall repair after resection for malignant tumors / E. Topolnitskiy, T. Chekalkin, E. Marchenko, Y. Yasenchuk, S.B. Kang, J.H. Kang // J. Funct. Biomater. -2021. - Vol. 12, no. 4 - P. 60.
- Constitutive relationship of fabric rubber composites and its application / X. Xu, G. Wang, H. Yan, X. Yao // Composite Structures. - 2023. - Vol. 304. - P. 116302.
- Numerical modeling of fiber reinforced polymer textile composites for characterizing the mechanical behavior / V. Kaushik, P. Sharma, P. Priyanka, H. Mali // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. - 2022. -Vol. 53, no. 10. - P. 1263-1289.
- Zhao, Z. Advances in mechanical properties of flexible textile composites / Z. Zhao, B. Li, P. Ma // Composite Structures -2023. - No. 303. - P. 116350.
- Study of the knitted TiNi mesh graft in a rabbit cranioplasty model / V.E. Gunther, A. Radkevich, S.B. Kang, T. Chekalkin, E. Marchenko, S. Gunther, A. Pulikov, I. Sinuk, S. Kaunietis, V. Podgorniy, M. Chang, J.H. Kang // Biomedical Physics & Engineering Express. - 2019. - Vol. 5. - P. 027005. DOI: 10.1088/2057-1976/ab0693.
- Численное исследование напряженно-деформированного состояния штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных с использованием cad/cam-технологий / М.В. Джалалова, А.Г. Степанов, С.В. Апресян, А.И. Оганян // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. - С. 22-30.
- Оценка биомеханических свойств материалов на основе дермы для герниопластики / К.И. Мелконян, Т.В. Русинова, Я.А. Козмай, Е.А. Солоп, О.А. Москалюк, A.С. Асякина, М.М. Манукян, К.Г. Гуревич // Российский журнал биомеханики. - 2023. - № 2. - С. 10-17.
- Перельмутер, М.Н. Концентрация напряжений в костных тканях и винтовых дентальных имплантатах / М.Н. Перельмутер // Российский журнал биомеханики. -2023. - Т. 27, - № 2. - С. 18-29.
- Богар, М.Н. Исследование микроформовки SS316L как материала для биомедицинских применений / М.Н. Богар, О. Кулкарни, Г. Какандикар // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 171-185.
- Теплофизические аспекты обеспечения качества высокопористых имплантатов с ячеистой структурой, полученных методом селективного лазерного плавления / П.Н. Килина, Л.Д. Сиротенко, М.С. Козлов, А.А. Дроздов // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 200-211.
- Биомеханические аспекты радиационной стерилизации композиционного материала "УГЛЕКОН-МЯ" для медицины/ В.Д. Онискив, А.В. Сотин, В.Ю. Столбов, С.М. Никулин, Е.В. Южакова // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 212-219.
- Механические свойства биосовместимых покрытий титан-стекло-углерод для применения в ортопедических имплантатах и деталях для остеосинтеза / С. Чернева, B. Петков, С. Войнарович, А. Алексиев, О. Кислица, О. Масючок // Российский журнал биомеханики. -2023. - Т. 26, № 1. - С. 49-59.
- Lagan, S.D. Experimental testing and constitutive modeling of the mechanical properties of the swine skin tissue / S.D. Lagan, A. Liber-Knec // Acta of Bioengineering and Biomechanics. - 2017. Vol. 19. - P. 93-102.
- Constitutive relationship of fabric rubber composites and its application / X. Xu, G. Wang, H. Yan, X. Yao // Composite Structures. - 2023. - Vol. 304. - P. 116302.
- Numerical modeling of fiber reinforced polymer textile composites for characterizing the mechanical behavior / V. Kaushik, P. Sharma, P. Priyanka, H. Mali // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. - 2022. -Vol. 53, no. 10. - P. 1263-1289.
- Zhao, Z. Advances in mechanical properties of flexible textile composites / Z. Zhao, B. Li, P. Ma // Composite Structures. -2023. - Vol. 303. - P. 116350.
- On the role of material architecture in the mechanical behavior of knitted textiles / D. Liu, D. Christe, B. Shakibajahromi, C. Knittel, N. Castaneda, D. Breen, G. Dion, A. Kontsos // International Journal of Solids and Structures. - 2017 -Vol. 109. - P. 101-111.
- Softening effects in biological tissues and NiTi knitwear during cyclic loading / Y.F. Yasenchuk, E.S. Marchenko, S.V. Gunter, G.A. Baigonakova, O.V. Kokorev, A.A. Volinsky, E.B. Topolnitsky // Materials - 2021. -Vol. 14 - P. 6256.
- Three dimensional simulation of weft knitted fabric based on surface mode / Y. Li, L. Yang, S. Chen, L. Xu // Comput. Model. Technol. - 2014. - Vol. 18. - P. 52-57.
- Modeling of tensile and bending properties of biaxial weft knitted composites. / O. Demircan, A.R. Torun, T. Kosui, A. Nakai // Sci. Eng. Compos. Mater. - 2015. - Vol. 22. -P. 215-341.
- Simulation of the superelastic behavior of NI-TI SMA belleville washers using ANSYS / P. Silva, A. Carlos, S. Marcelo, S. Neilor // In: 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013), Ribeirao Preto, SP, Brazil, 2013.
- Auriccho, F. A robust integration-algorithm for a finite-strain shape-memory-alloy superelastic model / F. Auriccho // International Journal of Plasticity. - 2001. - Vol. 17. -P. 971-990.
- Three-dimensional simulation of weft knitted fabric based on surface model / Y. Li, L. Yang, S. Chen, L. Xu // Computer modeling and new technologies. - 2014. - Vol. 18, no. 3. -P. 52-57.
- Ravandi, M. Numerical modeling of mechanical behavior of weft-knitted carbon fiber composites / M. Ravandi, S. Ahlquist, M. Banu // 8th European Conference for Aeronautics and Space Science. - 2019. - P. 1-8.
- Numerical simulation of the mechanical behavior of a weft-knitted carbon fiber composite under tensile loading/ M. Ravandi, A. Moradi, S. Ahlquist, M. Banu // Polymers. -2022. - Vol. 14, no. 3. - P. 451.
- Mohammed, M.A.P. Visco-hyperelastic model for soft rubber-like materials / M.A.P. Mohammed // Sains. Malaysiana. - 2014. - Vol. 43, no. 3 - P.451-457.
- Lekston, Z. Application of superelastic NiTi wires for mandibular distraction / Z. Lekston, J. Drugacz, H. Morawiec // Materials Science and Engeneering - 2004. - Vol. 378. -P. 537.
- Terriault, P. Non-isothermal finite element modeling of a shape memory alloy actuator using ANSYS / P. Terriault, F. Viens, V. Brailovski // Computational Materials Science -2006. - Vol. 36. - P. 397-410.
