Оценка усталостного ресурса и параметров остеоинтеграции углерод-углеродного композиционного материала медицинского назначения

Автор: Асташина Н.Б., Логинова Н.П., Роготнев А.А., Уваров С.В., Банников М.В., Рапекта С.И., Никулин С.М., Наймарк О.Б., Игнатова А.М.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (102) т.27, 2023 года.

Бесплатный доступ

Целью настоящей работы является изучение прочностных характеристик углерод-углеродного композиционного материала в качестве остеоимплантатата при его ступенчатом нагружении и оценка параметров остеоинтеграции на границе костно-имплантационного блока с позиции гистологического анализа и математического моделирования. Оценка усталостного ресурса материалов для имплантации и эндопротезирования основывается на изучении его поведения и определении степени трансформации микроструктуры при разных типах циклических нагружений с использованием системы для анализа акустической эмиссии при нагружении. Ключевым параметром при изучении прочности образцов из УУКМ при их ступенчатом нагружении является определение момента перехода объекта мониторинга в предразрушающее состояние. В качестве такого параметра в работе предлагается использовать показатель степени в уравнении, задающем связь количества событий акустической эмиссии в зависимости от условий и параметров нагружения. При оценке свойств имплантационных материалов помимо изучения параметров прочности важным аспектом является опреде ление основных медико-биологических характеристик, в частности, изучение процессов регенерации костной ткани на границе имплантационно-костного блока. Остеоиндуктивная активность материала для пластики дефектов костных тканей и эндопротезирования является одним из параметров успешности реконструктивных мероприятий. В связи с этим использование современных методов гистологического анализа и математического моделирования процессов остеинтеграции образцов из УУКМ позволит прогнозировать эффективность их применения в клинической практике при замещении дефектов костной ткани различной локализации и при лечении пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями, требующими эндопротезирования.

Еще

Углерод-углеродный композиционный материал, акустическая эмиссия, усталостный ресурс, остеоинтеграция, поврежденность, имплантационно-костный блок, математическая модель

Короткий адрес: https://sciup.org/146282791

IDR: 146282791   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.13

Список литературы Оценка усталостного ресурса и параметров остеоинтеграции углерод-углеродного композиционного материала медицинского назначения

  • Анциферов В.Н., Рогожников Г.И., Кислых Ф.И., Асташина Н.Б., Сметкин А.А., Рапекта С.И. Применение современных конструкционных материалов при комплексном лечении больных с дефектами челюстно-лицевой области // Перспективные материалы. - 2009. -№ 3. - С. 46-51.
  • Анциферов В.Н., Асташина Н.Б., Людаговский А.В., Рогожников Г.И., Четвертных В.А. Новые имплантационные системы в программе комплексного лечения больных с дефектами нижней челюсти // Вестник Пермского научного центра УрО РАН. - 2011. -№ 2 - С. 62-68.
  • Анциферов В.Н., Асташина Н.Б., Рогожников Г.И., Каченюк М.Н., Рапекта С.И. Оценка основных характеристик новой комбинированной имплантационной системы для эндопротезирования височно-нижнечелюстного сустава // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 2. - С. 20-23.
  • Ардашев И.П., Черницов С.В., Веретельникова И.Ю., Гришанов А.А., Шпаковский М.С. Современное состояние вопроса о костнопластических материалах, стимулирующих остеогенез // Вестник новых медицинских технологий. - 2011. - Т. 18, № 4. -С. 161-165.
  • Башков О.В., Проценко А.Е., Брянский А.А., Ромашко Р.В. Диагностика полимерных композитных материалов и анализ технологий их изготовления с использованием метода акустической эмиссии // Механика композитных материалов. - 2017. - № 4. - С.765-774.
  • Брель А.К., Лисина С.В., Бавлакова В.В., Фоменко И.В. Полисульфоны в качестве имплантатов и покрытий на их основе // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2020. - № 12. - С. 39-42.
  • Вагнер Е.А., Денисов А.С., Скрябин В.Л. Углеродный материал нового поколения в эндопротезировании костей и суставов. - Пермь, 1993. - 64 с.
  • Вишневский А.А., Казбанов В.В., Баталов М.С. Титановые имплантаты в вертебрологии: перспективные направления // Хирургия позвоночника. - 2015. - Т. 12, № 4. - С. 49-55.
  • Грушецкий И.В. Разрушение конструкций из композитных материалов / под ред. В.П. Тамуж, В.Д. Протасова.- Рига: Зинатне, 1986. - 264 с.
  • Денисов А.С., Скрябин В.Л., Булатов С.Б., Тихомиров Д.А., Камаева Е.С. Хирургическое лечение доброкачественных опухолей костной ткани с применением пористого углерода // Гений ортопедии. -2009. - № 3. - С. 94-97.
  • Джалалова М.В., Оганян А.И., Цаликова Н.А. Численно-экспериментальное исследование прочностных свойств премоляров с штифтовыми циркониевыми вкладками при разных углах нагрузки // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 3. - С. 273-284.
  • Джалалова М.В., Степанов А.Г., Апресян С.В., Оганян А.И. Численное исследование напряженно-деформированного состояния штифтовых культевых конструкций из диоксида циркония, изготовленных с использованием CAD/CAM-технологий // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 1. - С. 22-30.
  • Еловиков А.М., Егоров В.Н. Применение углерод-углеродного материала Углекон-М при облитерирующих операциях на лобных пазухах. // Искусственные материалы и новые технологии в клинической медицине: сб. научных трудов. Пермь. 2002. - С. 20-21.
  • Замараев К.И. Химическая кинетика: курс лекций: В 3 ч / под ред. А.Г. Окунева, К.П. Брылякова. - Новосибирск: Изд-во. НГУ, 2004. - Ч.1. - 108 с.
  • Зарипов Ш.Х., Никоненкова Т.В., Толмачева С.А. Модели динамики популяций на основе дифференциальных уравнений: реализация в среде R: учебно-метод. пособие. - Казань: Изд-во. КФУ, 2017. -30 с.
  • Коллеров М.Ю., Давыдов Е.А., Завгородняя Е.В., Афонина М.Б. Особенности изготовления и клинического применения пористых имплантатов из титана для лечения травм и заболеваний позвоночника // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 1. -С. 73-84.
  • Кульбакин Д.Е., Чойнзонов Е.Л., Кульков С.Н., Буяков А.С., Буякова С.П., Мухамедов М.Р., Суркова П.В., Фролова И.Г. Использование персонализированных биокерамических имплантатов в реконструкции челюстно-лицевой области // Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов международной конференции, 5-9 октября 2020. -Томск, 2020. - С. 402-403.
  • Ликиби Ф., Шарретт С., Ассад М., Коиллард Ч., Шабо Г., Ривард Ч.-Х. Гистологическое и гистоморфометрическое исследование костной интеграции пористого №"Л, используемого в качестве имплантата для межтелового спондилодеза // Хирургия позвоночника. - 2004. - № 1. -С. 121-127.
  • Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 4. -С. 19-33.
  • Рерих В.В., Аветисян А.Р., Зайдман А.М., Ластевский А.Д., Батаев В.А., Никулина А.А. Остеоинтеграция гидроксиапатитовых гранул в телах поясничных позвонков в эксперименте // Хирургия позвоночника. -2013. - № 4. - С. 43-51.
  • Роготнев А.А., Игнатова А.М. Наймарк О.Б. Моделирование гистологической картины в процессе постимплантационного остеогенеза на границе имплантационно-костного блока // Тез. докл. XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, 13-17 февраля 2023. - Пермь, 2023. - С. 289.
  • Роготнев А.А., Игнатова А.М., Асташина Н.Б., Логинова Н.П., Рапекта С.И., Наймарк О.Б. Математическая модель гистологической картины в процессе остеоинтеграции на границе кость-имплантат // Математическое моделирование в естественных науках: сборник материалов XXXII Всероссийской конференции, 4-7 октября 2023 - Пермь, 2023. -С. 274-276.
  • Скрябин В.Л., Ладейщиков В.М., Денисов А.С., Фукалов А.Ю. Особенности взаимодействия губчатой кости и углерода // Здоровье семьи - 21 век. - 2012. - Т. 1, № 1. -С. 21.
  • Соколова Н.А., Орел В.Э., Гусынин А.В., Селезнева А.А., Колесник С.В. Алгоритм компьютеризированного анализа изображений гистологических препаратов // Проблеми шформацшних технологш. - 2012. - № 11. -С. 121-127.
  • Тамуж В.П., Азарова М.Т., Бондаренко В.М., Гутанс Ю.А., Корабельников Ю.Г., Пикше П.Э., Силуянов О.Ф. Разрушение однонаправленных углепластиков и реализация в них прочностных свойств волокон // Механика композит. материалов. - 1982. - № 1. -С. 34-41.
  • Четвертных В.А., Логинова Н.П., Асташина Н.Б., Рогожников Г.И., Рапекта С.И. Регенерация костной ткани нижней челюсти при введении имплантационной системы, выполненной на основе углеродного композиционного материала // Морфология. - 2013. -Т. 143, № 1. - С. 069-072.
  • Шанидзе З.Л., Муслов С.А., Арутюнов А.С., Асташина Н.Б., Арутюнов С.Д. Биомеханический подход к стоматологическому ортопедическому лечению пациентов с послеоперационным дефектом верхней челюсти // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 1. - С. 28-38.
  • Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. -Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2009.
  • Assad M., Jarzem P., Leroux M.A., Coillard C., Chemyshov A.V., Charette S., Rivard C.-H. Porous titanium-nickel for intervertebral fusion in a sheep model: Part 1. Histomorphometric and radiological analysisl // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials. - 2003. - Vol. 64, No. 2. -P. 107-120.
  • Barenblatt, G. I. Scaling phenomena in fatigue and fracture// International Journal of Fracture. - 2004. - Vol. 138, No. 1. - Р. 19-35.
  • Button G., Gupta M., Barrett C., Cammack P., Benson D. Three-to six-year follow-up of stand-alone BAK cages implanted by a single surgeon // The Spine Journal. - 2005. - Vol. 5, No. 2. - P. 155-160.
  • Davydova M, Plekhov O.A, Uvarov S.V., Naimark O.B. Nonlinear and structural aspects of transitions from damage to fracture in composites and structures // Computers & Structures. - 2000. - Vol. 76, No. 1-3. - P. 47-58.
  • Gorbach E.N., Yemanov А.А., Ovchinnikov E.N., Kuznetsov V.P., Fefelov A.S., Gorgots V.G., Borzunov D.Y., Gubin A.V. Osseointegration of innovative customized implants in the tubular bone (Experimental Study) // Modern technologies in medicine - 2017. - Vol. 9, No. 1. - P. 78-83.
  • Ignatova A.M., Bannikov M.V., Bayandin Yu.V., Balakhnin A.N., Kuper K.E., Naimark O.B. Integral macrostructural characteristics of carbon composite based on microtomographic data // Procedia Structural Integrity. -2023. - Vol. 47. - P. 820-825.
  • Ivanov D.S., Lomov S.V., Verpoest I., Wevers M. Identification of damage initiation and development in textile composite materials using acoustic emission // J. of Acoustic Emission. - 2008. - Vol. 26. - P. 240-247.
  • Morokov E., Levin V., Ryzhova T., Dubovikov E., Petronyuk Yu., Gulevsky I. Bending damage evolution from micro to macro level in CFRP laminates studied by high-frequency acoustic microscopy and acoustic emission // Composite Structures. - 2022. - Vol. 288. - P. 115427.
  • Morokov E., Titov S., Levin V. In situ high-resolution ultrasonic visualization of damage evolution in the volume of quasi-isotropic CFRP laminates under tension // Composites Part B: Engineering. - 2022. - Vol. 247. -P. 110360.
  • Naimark O., Gladky I., Uvarov S., Shipunov G., Agletdinov E., Bannikov M. Staging analysis of damage-failure transition in composite materials by optic acoustic sensors // Procedia Structural Integrity. - 2023. - Vol. 47. -P. 782-788.
  • Naimark O.B. Uvarov, S.V. Bannikov M.V., Bayandin Yu.V., Nikityuk A.S. Critical dynamics of damage to composites and two-parameter fracture criteria // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2022. -Vol. 95, No. 7. - P 1652-1658.
  • Polyanin A.D., Zaitsev V.F. Handbook of exact solutions for ordinary differential equations. 2nd edn. - Chapman & Hall/CRC (A CRC Press Company), 2003.
  • Saeedifar M., Zarouchas D. Damage characterization of laminated composites using acoustic emission: a review // Composites Part B: Engineering. - 2020. - Vol. 195. -P. 108039.
  • Stamopoulos A.G., Tserpes K.I., Prucha P., Vavrik D. Evaluation of porosity effects on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced plastic unidirectional laminates by X-ray computed tomography and mechanical testing // Journal of Composite Materials. - 2016. - Vol. 50, No. 15. - P. 2087-2098.
  • Tanvir F., Sattar T., Mba D., Edwards G. Identification of fatigue damage evaluation using entropy of acoustic emission waveform // Applied Sciences. - 2020. -Vol. 2. - P. 1-15.
  • Zhou W., Zhang P., Zhang Y. Acoustic emission based on cluster and sentry function to monitor tensile progressive damage of carbon fiber woven composites // Applied Sciences. - 2018. - Vol. 8, No. 11. - P. 2265.
Еще
Статья научная