Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии

Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии

Автор: Акифьев К.Н., Харин Н.В., Стаценко Е.О., Саченков О.А., Большаков П.В.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

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

Бесплатный доступ

Аддитивные технологии при правильном проектировании позволяют производить решетчатые импланты, обладающие удовлетворительными несущими свойствами и малым весом. Применение же решетчатой структуры и биоматериалов позволяет решить главную проблему артропластики - сохранение импланта после операции в теле пациента, однако на сегодняшний день биоматериалы не обладают необходимыми прочностными характеристиками. Несмотря на это, множество исследований направлено на развитие методов проектирования, проведения натурных испытаний и контроля качества решетчатых структур. Данная статья посвящена исследованию потери устойчивости решетчатых конструкций при одноосном сжатии с синхронной съемкой рентгеновским компьютерным томографом. В работе проведено экспериментальное исследование решетчатых конструкций двух видов. Элементарной ячейкой у образцов выступали ребра гексагональной бипирамиды. Распределение элементарных ячеек у первого типа конструкции являлось равномерным, у второго - неравномерным. Исследуемые образцы изготавливались методом лазерной стереолитографии. Решетчатые конструкции нагружались поэтапно продольной сжимающей нагрузкой. Совместно с нагружением образцов производилась их съемка рентгеновским компьютерным томографом. В результате были получены поля перемещений конструкций на каждом этапе нагружения. Выявлена общая и локальная потеря устойчивости решетчатых конструкций. Общая потеря устойчивости возникала на втором шаге нагружения у каждого типа конструкции. Локальная потеря устойчивости наблюдалась на третьем шаге нагружения. Выявлено влияние архитектуры решетчатых структур на процесс потери устойчивости. У образца с неравномерным распределением элементарных ячеек наблюдался эффект прерывания процесса потери устойчивости, ввиду чего конструкция продолжила работать на сжатие. Другими словами, архитектура решетчатого изделия «погасила» изгибные составляющие вектора перемещений.

Еще

Методы неразрушающего контроля, компьютерная томография, решетчатые структуры, потеря устойчивости, эндопротез

Короткий адрес: https://sciup.org/146282797

IDR: 146282797   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.03

Список литературы Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии

  • Акифьев К.Н., Стаценко Е.О., Смирнова В.В., Харин Н.В., Большаков П.В., Саченков О.А. Методика исследования пористости образцов с жидкостью рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2023. - № 2. - С. 11-21. БО1: 10.155937perm.mech/2023.2.02
  • Ахметзянова А.И., Шарафутдинова К.Р., Сабирова Д.Э., Балтии М.Э., Герасимов О.В., Балтина Т.В., Саченков О.А. Оценка влияния тяжести травмы спинного мозга на механические свойства костей задних конечностей опытных крыс // Российский журнал биомеханики. -2022. - Т. 26, № 4. - С. 45-55. DOI: 10.155 93/RZhBiomeh/2022.4.04
  • Герасимов О.В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А. Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 3. - С. 53-66 DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.04
  • 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. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.1.06
  • 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. DOI: 10.15 593/RZhBiomeh/2022.4.02
  • Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 4. - С. 414-433. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.4.07
  • Мелконян К.И., Русинова Т.В., Козмай Я.А., Солоп Е.А., Москалюк О.А., Асякина А.С., Манукян М.М., Гуревич К. Г. Оценка биомеханических свойств материалов на основе дермы для герниопластики // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 2. - С. 10-17. DOI: 10.15593/ RZhBiomech /2023.2.01
  • Розов Р.А., Трезубов В.Н., Ураков А.Л. Индивидуальная цифровая реконструкция биомеханики жевательного речевого аппарата при имплантационном протезировании пациентов с полной потерей зубов // Российский журнал биомеханики. - 2022. - Т. 26, № 3. -С. 105-115. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.3.09
  • Суфияров В.Ш., Орлов А.В., Попович А.А., Чуковенкова М.О., Соклаков А.В., Михалюк Д.С. Расчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градиентной ячеистой структурой // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25, № 1. - С. 64-77. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.1.05
  • Харин Н.В., Герасимов О.В., Большаков П.В., Хабибуллин А.А., Федянин А.О., Балтин М.Э., Балтина Т. В., Саченков О. А. Методика определения ортотропных свойств костного органа по данным компьютерной томографии // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 2. - С. 414-433. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2019.3.11
  • Чернева C., Петков В., Войнарович С., Алексиев А., Кислица О., Масючок О. Механические свойства биосовместимых покрытий титан-стекло-углерод для применения в ортопедических имплантатах и деталях для остеосинтеза // Российский журнал биомеханики. -2022. - T. 26, № 1. - С. 49-59. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.1.04
  • Alghamdi A., Downing D., Tino R., Almalki A., Maconachie T., Lozanovski B., Brandt M., Qian M., Leary M. Buckling phenomena in AM lattice strut elements: a design tool applied to Ti-6Al-4V LB-PBF // Materials & Design. - 2021. - Vol. 208. - Article no. 109892. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109892
  • Bari K., Arjunan A. Extra low interstitial titanium based fully porous morphological bone scaffolds manufactured using selective laser melting // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - Vol. 95. - P. 112. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.03.025
  • Bolshakov P., Kharin N., Kashapov R., Sachenkov O. Structural design method for constructions: simulation, manufacturing and experiment // Materials. - 2021. - Vol. 14, No. 20. - Article no. 6064. DOI: 10.3390/ma14206064
  • Bolshakov P., Raginov I., Egorov V., Kashapova R., Kashapov R., Baltina T., Sachenkov O. Design and optimization lattice endoprosthesis for long bones: manufacturing and clinical experiment // Materials. - 2020. -Vol. 13, No. 5. - Article no. 1185. DOI: 10.3390/ma13051185
  • Concli F., Gilioli A. Numerical and experimental assessment of the mechanical properties of 3D printed 18-Ni300 steel trabecular structures produced by Selective Laser Melting -a lean design approach // Virtual and Physical Prototyping. -2019. - Vol. 14, No. 3. - P. 267-276. DOI: 10.1080/17452759.2019.1565596
  • Dong J., Fan H. Crushing behaviors of buckling-oriented hexagonal lattice structures // Mechanics of Materials. -2022. - Vol. 165. - Article no. 104160. DOI: 10.1016/j.mechmat.2021.104160
  • Foltut D., Valean E., Dzitac V., Marsavina L. The influence of temperature on the mechanical properties of 3D printed and injection molded ABS // Materials Today: Proceedings. - 2023. - Vol. 78. - P. 210-213. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.10.039
  • Gerasimov O.V., Kharin N., Fedyanin A., Bolshakov P., Baltin M., Statsenko E.O., Fadeev F., Islamov R.R., Baltina T.V., Sachenkov O. Bone Stress-strain state evaluation using CT based FEM // Frontiers in Mechanical Engineering. - 2021. - Vol. 7. - Article no. 688474. DOI: 10.3389/fmech.2021.688474
  • Gerasimov O.V., Kharin N., Statsenko E.O., Mukhin D., Berezhnoi D.V., Sachenkov O. Patient-specific bone organ modeling using CT based FEM // Lecture Notes in Computational Science and Engineering. - 2021. Vol. 141. -P. 125-139. DOI: 10.1007/978-3-030-87809-2_10
  • Ivannikov S.T., Vahterova Y. A., Utkin Y.A., Sun Y. Calculation of strength, rigidity, and stability of the aircraft fuselage frame made of composite materials // INCAS Bulletin. - 2021. - P. 77-86. DOI: 10.13111/2066-8201.2021.13.S.8
  • Jamshidian M., Boddeti N., Rosen D. W., Weeger O. Multiscale modelling of soft lattice metamaterials: micromechanical nonlinear buckling analysis, experimental verification, and macroscale constitutive behaviour // International Journal of Mechanical Sciences. - 2020. - Vol. 188. - Article no. 105956. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105956
  • Kharin N., Bolshakov P., Kuchumov A.G. Numerical and experimental study of a lattice structure for orthopedic applications // Materials. - 2023. - Vol. 16, No. 2. - Article no. 744. DOI: 10.3390/ma16020744
  • Krishnan K., Lee D., Teneji M. A., Al-Rub R. K. A. Effective stiffness, strength, buckling and anisotropy of foams based on nine unique triple periodic minimal surfaces // International Journal of Solids and Structures. - 2022. -Vol. 238. - Article no. 111418. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.111418
  • Lakkala P., Munnangi S.R., Bandari S., Repka M.A. Additive manufacturing technologies with emphasis on stereolithography 3D printing in pharmaceutical and medical applications: A review // International Journal of Pharmaceutics: X. - 2023. - Vol. 5. - Article no. 100159. DOI: 10.1016/j.ijpx.2023.100159
  • Li Y., Ding S., Wen C. Additive manufacturing technology for porous metal implant applications and triple minimal surface structures: a review // Bioactive Materials. - 2019. -Vol. 4. - P. 56-70. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2018.12.003
  • Limmahakhun S., Oloyede A., Sitthiseripratip K., Xiao, Y., Chen, Y. 3D-printed cellular structures for bone biomimetic implants // Additive Manufacturing. - 2017. - Vol. 15. -P. 93-101. DOI: 10.1016/j.addma.2017.03.010
  • Liu L., Kamm P.H., García-Moreno F., Banhart, J., Pasini D. Elastic and failure response of imperfect three-dimensional metallic lattices: the role of geometric defects induced by Selective Laser Melting // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2017. - Vol. 107. - P. 160-184. DOI: 10.1016/j.jmps.2017.07.003
  • Liverani E., Zanini, F., Tonelli L., Carmignato S., Fortunato A. The influence of geometric defects and microstructure in the simulation of the mechanical behaviour of laser powder-bed fusion components: application to endoprosthesis // Journal of Manufacturing Processes. -2021. - Vol. 71. - P. 541-549. DOI: 10.1016/j.jmapro .2021.09.043
  • Maslov L. B., Borovkov A. I., Maslova I., Soloviev D., Zhmaylo M., Tarasenko F. D. Finite element analysis of customized acetabular implant and bone after pelvic tumour resection throughout the gait cycle // Materials. - 2021. -Vol. 14, No. 22 - Article no. 7066. DOI: 10.33 90/ma14227066
  • Nazir A., Ali, M., Jeng J. Investigation of Compression and Buckling Properties of a Novel Surface-Based Lattice Structure Manufactured Using Multi Jet Fusion Technology. // Materials. - 2021. - Vol. 14, No. 10. - Article no. 2599. DOI: 10.3390/ma14102599
  • Nishimura M., Hatta M. Local buckling behavior of multi-walled carbon nanotubes encapsulating C60 fullerenes // Carbon Trends. - 2023. - Vol. 11. - Article no. 100269. DOI: 10.1016/j.cartre.2023.100269
  • Peng C., Tran P.T., Mouritz A. Compression and buckling analysis of 3D printed carbon fibre-reinforced polymer cellular composite structures // Composite Structures. -2022. - Vol. 300. - Article no. 116167. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116167
  • Rodrigues J.P., Thanumoorthy R.S., Manjhi S.K., Sekar P., Perumal D A., Bontha, S., Balan, A.S.S. Hybrid Additive Manufacturing of ER70S6 steel and Inconel 625: A study on microstructure and mechanical properties // Materials Today Communications. - 2023. - Article no. 106977. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106977
  • Sivakumar N. K., Palaniyappan S., Sekar V., Alodhayb A., Braim M. An optimization approach for studying the effect of lattice unit cell's design-based factors on additively manufactured poly methyl methacrylate cranio-implant // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2023. - Vol. 141. - Article no. 105791. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2023.105791
  • Soro N., Brodie, E. G., Abdal-Hay A., Alali A. Q., Kent D., Dargusch M. Additive manufacturing of biomimetic titanium-tantalum lattices for biomedical implant applications // Materials & Design. - 2022. - Vol. 218. -Article no. 110688. DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110688
  • Vahterova Y.A., Min Ya N. Effect of shape of armoring fibers on strength of composite materials // Turkish Journal of Computer and Mathematics Education. - 2021. -Vol. 12. - P. 2703-2708. DOI: 10.17762/turcomat. v12i2.2295
  • Wu M., Chen J., Chiang P., Chang P., Tsai M. Compression property, deformation behavior, and fracture mechanism of additive-manufactured Ti-6Al-4V cellular solid with a new cuboctahedron structure // Metallurgical and Materials Transactions. - 2020. - Vol. 51, No. 12. - P. 6517-6527. DOI: 10.1007/s11661-020-06013-7
  • Yang X., Hu X., Zhu L., Li M. Lattice structure design optimization under localized linear buckling constraints // Computers & Structures. - 2023. - Vol. 286. - Article no. 107112. DOI: 10.1016/j.compstruc.2023.107112
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp