Модель упруговязкопластичности полилактида для анализа деформирования костных решетчатых скаффолдов на разных структурных уровнях

Решетчатые структуры из биоразлагаемых полимеров (скаффолды) используются в биомедицинских приложениях для замещения поврежденной костной ткани. Для понимания связанных деформационных и биологических процессов, происходящих в микронеоднородном материале, необходимо использование адекватной модели упруговязкопластичности материала. С этой целью предпринято экспериментальное исследование полилактида, включающего следующие программы нагружения: (а) несколько циклов одноосного стесненного сжатия с различными скоростями деформирования, (б) одноосное свободное сжатие с различными скоростями деформирования, (в) одноосное свободное сжатие по программе нагружения с циклами нагружения и разгрузки с выдержками со ступенчатыми повышением максимального напряжения, а также (г) одноосное свободное сжатие по треугольным отнулевым циклам нагружения при различных значениях максимального напряжения. Для численного исследования особенностей неоднородного распределения деформаций и напряжений при деформировании решетчатого скаффолда из полилактида сжатием в зависимости от скорости деформирования использована модель упругопластичности с законом упрочнения Джонсона - Кука, константы которой были определены экспериментально по данным испытаний ( а )-( б ). Обнаружено, что с увеличением деформаций сжатия образца скаффолда от 2,7 до 10,7 % начинает заметно проявляться зависимость пространственного распределения эквивалентных напряжений и скоростей деформаций от скорости деформации сжатия, приложенной к образцу, в диапазоне изменения от 1,11‧10-4 до 1,11‧10-1 с-1. Это показывает важность учета зависимости упруговязкопластических свойств полилактида от скорости деформации для корректного описания локализации пластической деформации и концентрации напряжений, влияющих на микромеханику различных физико-химических и механических процессов в скаффолдах в условиях эксплуатации. Также установлено, что использованная для описания одноосного нагружения модель упругопластичности качественно описывает поведение сплошных образцов полилактида при их нагружении: релаксацию напряжений на этапах выдержки при превышении напряжения текучести, а также накопление вязкопластических деформаций в циклах (рэтчетинг). Данные эффекты представляются важными для описания деформирования скаффолдов из полилактида в процессах отнулевого циклического нагружения с выдержками при максимальных значениях, повторяющих ходьбу человека.