Прогнозирование несущей способности эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродного композиционного материала

Прогнозирование несущей способности эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродного композиционного материала

Автор: Разумовский Е.С., Шавшуков В.Е., Аношкин А.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2022 года.

Бесплатный доступ

В статье выполнена оценка несущей способности эндопротеза тазобедренного сустава, изготовленного из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), при анатомической нагрузке. УУКМ изготовлен на основе нити углеродной «Урал Н/400-22» и фенолоформальдегидного связующего новолачного типа СФ-010. Существенной сложностью при моделировании эндопротеза является прогнозирование свойств УУКМ. Сложность математического моделирования на основе механики композиционных материалов состоит в невозможности экспериментального определения механических характеристик пироуглеродной матрицы. Пироуглеродная матрица не существует в чистом виде отдельно от композиционного материала. Вычислены механические характеристики УУКМ, построены математические модели костной ткани и эндопротеза, учитывающие сложную составную структуру. Бедренная кость представлена сочетанием кортикальной и губчатой ткани. Бедренная кость в исследовании закреплялась по латеральному и медиальному мыщелкам бедренной кости. Данное закрепление соответствует пятну контакта мыщелка с латеральным и медиальным менисками. Подтверждена гипотеза о том, что наиболее слабым компонентом в УУКМ является пироуглеродная матрица. Выявлены места наибольших значений нормальных и касательных напряжений. Места концентрации касательных напряжений совпадают с областями разрушения эндопротеза при испытании на сжатие, выявленные ранее визуально. Определены новые конструктивные и технологические требования к конструкции, которые будут способствовать увеличению надежности эндопротеза.

Еще

Эндопротез, тазобедренный сустав, резорбция, анизотропия костной ткани, остеон, биоинертность, углерод-углеродный композиционный материал, пироуглерод, эффективные характеристики

Короткий адрес: https://sciup.org/146282594

IDR: 146282594   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.08

Список литературы Прогнозирование несущей способности эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродного композиционного материала

  • Родионова С.С., Колондаев А.Ф., Солод А.Ф. Комбинированное лечение переломов шейки бедренной кости на фоне остеопороза // Российский медицинский журнал. - 2004. - Т. 12, № 24. - С. 117-122.
  • А.П. Середа. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Ответы на все вопросы. - М.: Гранат, 2014. - 121 с., 110 илл.
  • Компьютерная томография проксимального отдела бедренной кости для определения показаний к профилактическому армированию с целью предупреждения переломов костей при остеопорозе / А.Л. Матвеев, В.Э. Дубров, Т.Б. Минасов, А.В. Нехожин [и др.] // Материалы конгресса. Конгресс российской ассоциации радиологов. Лучевая диагностика и терапия в реализации национальных проектов. - СПб., 2013. -С.222-224.
  • Эндопротезирование тазобедренного и коленного суставов: показания к операции / А.А. Вороков, П.И. Бортулев, В.М. Хайдаров [и др.] // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. - 2020. - Т. 8, вып .3. - С. 355-364.
  • 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.
  • Применение метода конечных элементов при моделировании биологических систем в травматологии и ортопедии / B.Э. Дубров, Д.А. Зюзин, И.А. Кузькин, И.М. Щербаков, C.В. Донченко, К.А. Сапрыкина // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 1. - С. 140-152.
  • Akulich Y.V., Podgaets R.M., Sotin A.V. The calculation of loads acting on the femur during normal human walking // Russian Journal of Biomechanics. - 2000. - Vol. 4, № 1. -P. 49-61.
  • Биомеханическое моделирование интраоперационно-го перелома проксимального отдела бедра / Ю.В. Акулич, Р.М. Подгаец, В.Л. Скрябин, А.В. Сотин // Российский журнал биомеханики. - 2006. - Т. 10, № 3. - С. 63-71.
  • Вичнин Г.Г., Бэттерман С.К. Прогнозирование повреждения проксимальной части бедра до и после полной замены тазобедренного сустава // Конструирование и технология машиностроения. - 1986. - № 2. - С. 327-342.
  • Влияние модуля упругости губчатой и кортикальной кости на напряженное состояние в области пластинчатого имплантата при окклюзионной нагрузке / Г.И. Рогожников, С.Г. Конюхова, Ю.И. Няшин [и др.] // Российский журнал биомеханики. - 2004. - Т. 8, № 1. - С. 54-60.
  • Huiskes R., Janssen J.D., Slooff T.J. A detailed comparison of experimental and theoretical stress analyses of a human femur // Mechanical Properties of Bone, ASME AMD. - 1981. -Vol. 45. - P. 211-234.
  • Безгодков Ю.А., Воронцова Т.Н., Ауди К. Использование биомеханических методов в системе комплексной оценки состояния пациентов после эндопротезирования тазобедренного // Ученые записки СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова. -2011. - Т. 28, № 3. - С. 5-14.
  • Бушуев В.М., Лямин Я.В., Синани И.Л. Кинетика объемного насыщения пироуглеродом пористой углеродной среды // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. -№ 1. - С. 121-125.
  • 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.
  • Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hips. - Springer Berlin Heidelberg, 1993. - 211 p.
  • Степанов И.П., Монахов Ю.С. Исследование влияния механики движения тазобедренного сустава на ходьбу человека при разработке имитатора походки человека // Приволжский научный вестник. - 2014. - № 12. - С. 45-51.
  • Сапин М.Р., Билич Г.Л. Нормальная анатомия человека: учебник: в 2 кн. - М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2010. - Кн. 1. - 480 с.
  • The implications of non-anatomical positioning of a meniscus prosthesis on predicted human knee joint biomechanics / Hamid Naghibi, Dennis Jansse, Ton van den Boogaard, Tony van Tienen, Nico Verdonschot // Medical & Biological Engineering & Computing. - 2020. - Vol. 58. -P. 1341-1355.
  • 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.
  • Нехожин А.В. Разработка метода и программного обеспечения для моделирования реологического деформирования армированного биокомпозиционного материала: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18. - Самара, 2016. - 176 с.
  • Волотовский А.И. Регенерация костной ткани в норме и при патологии: метод. рекомендации. - Минск: БГМУ, 2010. - 24 с.
  • Каплан, А.В. Повреждения костей и суставов. - М.: Медицина, 1979. - 3-е изд. - 568 с.
  • Смирнов А.В., Румянцев А.Ш. Строение и функции костной ткани в норме и при патологии. Сообщение II // Нефрология. - 2015. - Т. 19, № 1. - С. 8-17.
  • Кирилова И.А. Костная ткань как основа остеопласти-ческих материалов для восстановления костной структуры // Хирургия позвоночника. - 2011. - Т. 1. - С. 68-74.
  • Фигурска М. Структура компактной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2007. - Т. 11, № 3. - С. 28-38.
  • 3D Finite Element Analysis of the Modular Prosthesis with Tooth Mechanism of the Femoral Shaft / Jian-feng Zhang, Yong-cheng Hu, Bao-cang Wang, Lei Wang, Hui Wang, Yong Li, Ming Yan, Hong-tao Liu // Orthopaedic surgery. - 2020. -Vol. 12, no. 3. - P. 946-956.
  • Basil Mathai, Sanjay Gupta. The influence of loading configurations on numerical evaluation of failure mechanisms in an uncemented femoral prosthesis // International journal for numerical methods in biomedical engineering. - 2020. - Vol. 36, iss. 8. - 16 p.
  • Исследование механических свойств костной ткани надацетабулярной области / М.Ю. Удинцева, Д.В. Зайцев, Е.А. Волокитина, И.П. Антропова, С.М. Кутепов // Гений ортопедии. - 2022. - Т. 28, № 4. - С. 559-564.
  • Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Прогнозирование физико-механических свойств пироугле-родной матрицы в углерод-углеродных композиционных материалах // Технология. Сер. Конструкции из композиционных материалов / ВИМИ; Конструкторское бюро машиностроения; Научно-производственное объединение прикладной механики. - 1993. - Вып. 1. - C. 37-40.
  • Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Прогнозирование эффективных теплофизических характеристик пироуглерод-ных матриц // Математическое моделирование систем и процессов. - 2002. - № 10.
  • Modelling of pseudoplastic deformation of carbon/carbon composites with pyrocarbon matrix / V. Shavshukov, A. Tashki-nov, Y.M. Strzhemechny and D. Hui // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. - 2008. - Vol. 16. - P. 18.
  • ТУ BY 400031289.140-2010. Нити углеродные Урал-Н. -М., 2010.
  • Mcnamara, Laoise. Bone as a Material // Comprehensive Biomaterials. - 2011. - Vol. 2. - P. 169-186.
  • Клеточные реакции и цитотоксичность медицинских материалов в отношении лейковзвеси человека / С.В. Шкод-кин, К.А. Бочарова, М.И. Коган, С.В. Иванов, Ю.Б. Идашкин, Е.Ф. Михайлова, Н.Г. Бахтина, О.В. Мирошниченко, А.В. Любушкин // Научные ведомости БелГУ. Сер. Медицина. Фармация. - 2014. - № 11, вып. 26/1. - С. 66-73.
  • Соколкин, Ю.В. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. - М.: Наука. Физматлит, 1996. - 239 с.
Еще
Статья научная
SciUp 2024 © 2024 ©