Моделирование invitro нагружения эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродных композиционных материалов с поврежденными областями
Автор: Разумовский Е.С., Шавшуков В.Е.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 (104) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
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.
Эндопротез, тазобедренный сустав, остеобласты, пироуглеродная матрица, углерод-углеродный композиционный материал, упругие модули, повреждаемость, биокомпозит
Короткий адрес: https://sciup.org/146282974
IDR: 146282974 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.02
Список литературы Моделирование invitro нагружения эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродных композиционных материалов с поврежденными областями
- Гуняев, Г.М. Углерод-углеродные композиционные материалы / Г.М. Гуняев, М.Я. Гофин // Авиационные материалы и технологии. - 2013. - № 1. - С. 62 - 90.
- Awasthi, S. Composite materials for aircraft brakes / S. Awasthi, J. Wood // Advanced Ceramic Materials. -2008. - no. 3. - P. 553 - 559.
- Carey, J.P. Handbook of advances in braided composite materials: theory, production, testing and applications / J.P. Carey // Woodhead Publishing. - 2016. - P. 496.
- Effects of preform structures on the performance of carbon and carbon composites / H.C. Shao, Y.Y. Zhang, S. Hussain, X.C. Liu, L.J. Zhao, X.Z. Zhang, G.W. Liu, G.J. Qiao // Science of Advanced Materials. - 2019. - no. 11. - P. 1-9.
- Березовский, В.А. Биофизические характеристики тканей человека: справочник / В.А. Березовский, Н.Н. Колотилов. - Киев: Наукова думка, 1990. - 224 с.
- Зуев, П.А. Тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава эндопротезом / П.А. Зуев // Гений ортопедии. - 2010. - № 1. - С. 83-87.
- Modelling of pseudoplastic deformation of carbon/carbon composites with pyrocarbon / V. Shavshukov, A. Tashkinov, Y.M. Strzhemechny, D. Hui. // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. - 2008. - Vol. 16. - P. 18.
- Современные представления об остеоинтеграции дентальных имплантатов (обзор литературы) / П.В. Иванов, Н.И. Макарова, Н.В. Булкина, Л.А Зюлькина // Медицинские науки. Обзор литературы. - 2018. - № 4. - С. 191 - 202.
- Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М.А. Жмайло, А.Н. Коваленко // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 4. - С. 19-33.
- Загородний, Н.В. Эндопротезирование тазобедренного сустава: основы и практика: руководство / Н.В. Загородний. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 704 с.
- Соколкин, Ю.В. Прогнозирование физико-механических свойств пироуглеродной матрицы в углерод-углеродных композиционных материалах / Ю.В. Соколкин, А.А. Ташкинов, В.Е. Шавшуков // Технология. Сер. Конструкции из композиционных материалов / ВИМИ; Конструкторское бюро машиностроения; Научно-производственное объединение прикладной механики. - 1993. - Вып. 1. -C. 37-40.
- Гайворонский, И.В. Анатомия соединений костей. Учебное пособие. Издание третье, переработанное и дополненное / И.В. Гайворонский, Г.И. Ничипорук. -СПб.: ЭЛБИ-СПб, 2006. - 48.с.
- Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, Р.Р. Рахматулин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 53-66.
- 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.
- Применение метода конечных элементов при моделировании биологических систем в травматологии и ортопедии / В.Э. Дубров, Д.А. Зюзин, И.А. Кузькин, И.М. Щербаков, С.В. Донченко, К.А. Сапрыкина // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 1. -С. 140-152.
- Зарубин, В.С. Математические модели механики и электродинамики сплошной среды: учебное пособие / B.С. Зарубин, Г.Н. Кувыркин. - М.: МГТУ им. Баумана, 2008. - 512 с.
- Оценка напряженно-деформированного состояния бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава с нестандартным размером конуса и с переходником для его стандартизации / К.П. Зверева, Д.А. Марков, А.А. Голядкина, А.В. Полиенко // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 4. - C. 549-556.
- Мусалатов, Х.А. Углеродные имплантаты в травматологии и ортопедии. Диссертация доктора медицинских наук / Х.А. Мусалатов. - М.,1990. - 402 с.
- Нехлопочин, А.С. Анализ в системе «кортикальный винт - тело позвонка» при фиксации имплантатов для шейного соединения / А.С. Нехлопочин, C.Н. Нехлопочин, Г.В. Сыровой // Российский журнал биомеханики. - 2017. - Т. 21, № 1. - C. 88-101.
- Углерод-углеродные импланты для ортопедии и травматологии / И.Л. Синани, А.Г. Щурик, Ю.К. Осоргин, В.М. Бушуев // Российский журнал биомеханики. - 2012. - Т. 16, № 2. - С. 74 - 82.
- Соколкин, Ю.В. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин. - М.: Наука. Физматлит. - 1996. - 239 с.
- Экспериментальное изучение распределения упругих напряжений в периимплантатной кости при зубном протезировании / В.Н. Трезубов, М.Л. Мишнев, Ю.В. Паршин, В.С. Модестов, Д.И. Яреха // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 10-23.
- Исследование механических свойств костной ткани / М.Ю. Удинцева, Д.В. Зайцев, Е.А. Волокитина, И.П. Антропова, С.М. Кутепов // Гений ортопедии. -2022. - Т. 28, № 4. - С. 559-564.
- Шмурак, М.И. Течение каловых масс в толстом кишечнике: биомеханика, реология, моделирование / М.И. Шмурак // Российский журнал биомеханики. -2022. - № 4. - С. 74-88.
- Polyetheretherketone implants with hierarchical porous structure for boosted osseointegration / Z. Chen, Y. Chen, Y. Wang, J. Deng, X. Wang, Q. Wang, Y. Liu, J. Ding, L. Yu // Biomaterials Research. - 2023. - Vol. 27, no. 1. - P. 61.
- Christensen, R. Mechanics of composite materials / R. Christensen. - New York: John Wiley & Sons, 1979. -P. 336.
- Manocha, L.M. Carbon Fibers. Encyclopedia of materials: science andtechnology / L.M. Manocha. - 2001. - P. 906916.
- Revuzhenko, A.F. Mechanics of granular media / A.F. Revuzhenko. - Springer-Verlag: Berlin, 2006. Usovich, A.K. Human anatomy: Part 1: Introduction of anatomy & sceletal system / A.K. Usovich, T.A. Ostrovskaya, A.V. Shrashschuk. - Vitebsk: VSMU, 2006. - P. 131.
- Углеродные материалы в медицине / Е.П. Маянов, П.И. Золкин, Х.М. Аберяхимов, О.Г. Романова // Вестник Российской академии естественных наук. -2016. - № 2. - С. 26-30.
- Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М.А. Жмайло, А.Н. Коваленко // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 4. - С. 414-433.
- Razumovskii, E. Simplified computer simulation and analysis of the stress-strain state of a hip joint endoprosthesis made of carbon-carbon composite material in an elastic medium / E. Razumovskii, S. Ponomareva // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2021. - Vol. 3. - P. 622-629.
- Исследование напряженно-деформированного состояния эндопротезированного тазобедренного сустава / Ю.В. Акулич, Р.М. Подгаец, В.Л. Скрябин, А.В. Сотин // Российский журнал биомеханики. - 2007. - Т. 11, № 4. - С. 9-35.
- Большаков, П.В. Моделирование разрушения неоднородного тела методом конечных элементов с использованием данных компьютерной томографии / П.В. Большаков, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 2. - С. 248-258.
- Джеббар, Н. Трехмерный конечно--элементный анализ влияния ударной нагрузки от импактора переменной массы на распределение напряжений на поверхности «кость - имплант» / Н. Джеббар, А. Бачири, Б. Бутабут // Российский журнал биомеханики. - 2023. - № 1. -С. 10-21.
- Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при двухопорном стоянии / А.И. Боровков, Л.Б. Маслов, М.А. Жмайло, И.А. Зелинский, И.Б. Войнов, И.А. Керестень, Д.В. Мамчиц, Р.М. Тихилов, А.Н. Коваленко, С.С. Билык, А.О. Денисов // Российский журнал биомеханики. - 2018. - Т. 22, № 4. - С.437-458.
- Ташкинов, А.А. Упругость анизотропных материалов. Конспект лекций / А.А. Ташкинов. - 2010. - 49 с.
- Nijssen, R.P.L., Composite materials / RPLN. - 1st English edition, based on 3rd Dutchedition. - Inholland University of Applied Sciences, 2015. - 150 p.
- Mustansar, Z. Effect of using different types of methodsfor the derivation of elastic modulus of bone - A critical survey / Z. Mustansar, A. Shaukat, L. Margetts // MATEC Web of Conferences. - 2017. - Vol. 108. - P. 13002.
- Ташкинов, А.А. Неоднородности полей деформаций в зернах поликристаллических материалов и задача Эшелби / А.А. Ташкинов, В.Е. Шавшуков // Вестник Пермского национального исследовательского университета. Механика. - 2018. - № 1. - С. 58-72.
- Nabrdalik, M. The finite element method in the analysis of the stress and strain distribution in polyethylene elements of hip and knee joints endoprostheses / M. Nabrdalik, Mi. Sobocinski // MATEC Web of Conferences. - 2019. Vol. 254. - P. 02025.
- Федорова, Н.В. Моделирование нагрузок, создаваемых мостовидным зубным протезом с опорой на имплантаты верхней челюсти / Н.В. Федорова, А.Ю. Ларичкин, А.А. Шевела // Российский журнал биомеханики.
