Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Механика

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

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   |   УДК: 531/534:   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.13

Evaluation of fatigue life and osseointegration parameters of carbon-carbon composite material for medical applications

The aim of the present work is to study the strength characteristics Carbon fibre-reinforced Carbon (CFRC) material as an osteoimplant under its stepwise loading and to estimate the parameters of osseointegration at the bone-implant interface from the position of histological analysis and mathematical modeling. Fatigue life estimation of materials for implantation and endoprosthesis is based on the study of its "behavior" and determination of the degree of microstructure transformation under different types of cyclic loading using a system for the analysis of acoustic emission under loading. The key parameter in studying the strength of samples from carbon fiber reinforced composite materials under stepwise loading is the determination of the moment of transition of the controlled object into a pre-destructive state. We propose to use the ratio of degree in the equation defining the relationship between the number of acoustic emission events depending on the loading conditions as a key factor in studying the strength of samples made of CFRC under staged loading. When assessing the properties of implant materials, in addition to the study of strength parameters, an important aspect is the determination of the major biomedical characteristics, in particular, the study of bone tissue regeneration processes at the border of the implant-bone block. The osteoinductive activity of materials for plasty of bone tissue defects and endoprosthetics is one of the parameters of the success of reconstructive measures. In this regard, the use of modern methods of histological analysis and mathematical modeling of osseointegration processes of CFRC specimens will allow to predict the effectiveness of their application in clinical practice when replacing bone tissue defects of different localization and in therapy of patients with degenerative-dystrophic diseases requiring endoprosthesis.

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp