Разработка градиентной структуры ножки эндопротеза тазобедренного сустава на основе метаматериала решетчатого типа

Разработка градиентной структуры ножки эндопротеза тазобедренного сустава на основе метаматериала решетчатого типа

Автор: Нежинская Л.С., Маслов Л.Б., Боровков А.И., Жмайло М.А., Тарасенко Ф.Д.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

В работе рассмотрены вопросы проектирования и исследования перспективной конструкции ножки эндопротеза тазобедренного сустава. Бедренный компонент эндопротеза разрабатывается на основе метаматериала, производимого методами аддитивных технологий и представляющего собой периодическую пористую структуру переменной топологии. Ключевой задачей проектирования являлось численное определение переменной в пространстве эффективной плотности решетчатой структуры в пределах объема имплантата путем решения задачи оптимизации. Первый этап разработки представлял собой конечно-элементное моделирование системы с установленным сплошным имплантатом - пространством оптимизации - для семи различных сценариев нагружения. Данные сценарии сформированы для репрезентации наиболее характерных случаев двигательной активности человека. Вторым шагом являлось определение оптимального распределения эффективной плотности решетчатой структуры в объеме имплантата, получаемое в результате решения задачи топологической оптимизации с представленным нагружением. В результате решения задачи оптимизации получено распределение эффективной плотности решетчатой структуры, на основе которого построена геометрическая модель имплантата, обладающая градиентной пористой структурой. Полученный результат позволяет достичь оптимального соотношения жесткости и массовых свойств в условиях заданного нагружения. Для верификации подхода проведено прямое конечно-элементное моделирование построенной решетчатой геометрии имплантата при заданных сценариях нагружения. В результате проведенного анализа полей напряжений в объеме эндопротеза делается вывод об отсутствии в разработанной конструкции зон критического состояния материала и корректности примененного подхода к разработке эндопротеза на основе метаматериала.

Еще

Биометаматериалы, тазобедренный сустав, ножка эндопротеза, градиентная структура, остеоинтеграция, конечно-элементный анализ, структурная оптимизация

Короткий адрес: https://sciup.org/146282982

IDR: 146282982   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.01

Список литературы Разработка градиентной структуры ножки эндопротеза тазобедренного сустава на основе метаматериала решетчатого типа

  • Lewandowski, J.J. Metal additive manufacturing: a review of mechanical properties / J.J. Lewandowski, S. Mohsen // The Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46, no. 1. – P. 151–186.
  • Yakout, M. A review of metal additive manufacturing tech-nologies / M. Yakout, M.A. Elbestawi, S.C. Veldhuis // Solid State Phenomena. – 2018. – Vol. 278. – P. 1–14.
  • Finite element analysis of effective elastic properties of met-amaterials based on triply periodic minimal surfaces / A.I. Borovkov, L.B. Maslov, M.A. Zhmaylo, F.D. Tarasenko, L.S. Nezhinskaya // Materials Physics and Mechanics. – 2024. – Vol. 52, no. 2. – P. 11–29.
  • Mechanical properties of additively manufactured metal lattice structures: Data review and design interface / B. Hanks, J. Berthel, M. Frecker, T.W. Simpson // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 35. – P. 101301.
  • De Jonge, C.P. Non-auxetic mechanical metamaterials / C.P. De Jonge, H.M.A. Kolken, A.A. Zadpoor // Materials (Basel, Switzerland). – 2019. – Vol. 12, no. 4. – P. 635.
  • Kolken, H.M.A. Auxetic mechanical metamaterials / H.M.A. Kolken, A.A. Zadpoor // RSC Advances. – 2017. – Vol. 7. – P. 5111–5129.
  • Oraib, A. Topology-mechanical property relationship of 3D printed strut, skeletal, and sheet based periodic metallic cel-lular materials / A. Oraib, R. Rowshanc, K. Rashid // Addi-tive Manufacturing. – 2018. – Vol. 19. – P. 167–183.
  • Mechanical properties of regular porous biomaterials made from truncated cube repeating unit cells: analytical solutions and computational models / R. Hedayati, M. Sadighi, M. Mohammadi -Aghdam, A. Zadpoor // Material Science and Engineering. – 2016. – Vol. 60. – P. 163–183.
  • Zadpoor, A.A. Meta-biomaterials / A.A. Zadpoor // Bio-material Science. – 2020. – Vol. 8, no. 1. – P. 18–38.
  • Bin, R.S. Мodeling elastic properties of unidirectional com-posite materials using Ansys Material Designer / R.S. Bin, R.M. Mazedur // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 1892–1900.
  • Разумовский, Е.С. Моделирование in vitro нагружения эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродных композиционных материалов с поврежденными областями / Е.С. Разумовский, В.Е. Шавшуков // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 2. – С. 22–37.
  • Meslier, Q.A. Using finite element modeling in bone mecha-noadaptation / Q.A. Meslier, S.J. Shefelbine // Current Oste-oporosis Reports. – 2023. – Vol. 21. – P. 105–116.
  • Федорова, Н.В. Определение механических параметров и проницаемости пористых костных имплантатов из ти-танового сплава в условиях их взаимодействия с биоло-гическими жидкостями / Н.В. Федорова, А.М. Косинов // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 1. – С. 54–66.
  • Functionally graded porous implants obtained by additive manufacturing / F. Murat, I.H. Korkmaz, A.T. Sensoy, I. Kaymaz // Gazi University Journal of Science Part C: De-sign and Technology. – 2019. – Vol. 7, no. 3. – P. 540–553.
  • Parametric design of hip implant with gradient porous struc-ture / X. Gao, Y. Zhao, M. Wang, Z. Liu, C. Liu // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2022. – Vol. 10. – Article no. 850184.
  • Design of a Haversian system-like gradient porous scaffold based on triply periodic minimal surfaces for promoting bone regeneration / L. Li, P. Wang, H. Liang, J. Jin // Journal of Advanced Research. – 2023. – Vol. 54. – P. 89–104.
  • Modelling of functional gradient porous structure and its fabrication using additive manufacturing process / A. Suresh Babu, K.M. Binish, M. Jaivignesh, M. Sugavaneswaran // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, no. 11. – P. 24558–24567.
  • Влияние циклических нагрузок на механические параметры костно-пластического материала / Н.В. Федорова, А.Ю. Ларичкин, С.В. Бойко, А.А. Панченко, В.Н. Гольник, В.В. Павлов, А.М. Косинов // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 2. – С. 38–51.
  • Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии / К.Н. Акифьев, Н.В. Харин, Е.О. Стаценко, О.А. Саченков, П.В. Большаков // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 4. – С. 40–49.
  • Еремина, Г.М. Численное исследование механического поведения тазобедренного сустава при терапевтическом акустическом воздействии / Г.М. Еремина, А.Ю. Смолин // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 1. – С. 40–54.
  • Maslov, L.B. Biomechanical model and numerical analysis of tissue regeneration within a porous scaffold / L.B. Maslov // Mechanics of Solids. – 2020. – Vol. 55, no. 7. – P. 1115 – 1134.
  • Deering, J. Osseointegration of functionally-graded Ti6Al4V porous implants: Histology of the pore network / J. Deering, D. Mahmoud, E. Rier // Biomaterials Advances. – 2023. – Vol. 155. – Article no. 213697.
  • Kayacan, M.C. Monitoring the osseointegration process in porous Ti6Al4V implants produced by additive manufactur-ing: an experimental study in sheep / M.C. Kayacan, Y.B. Baykal, T. Karaaslan // Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials. – 2018. – Vol. 16, no. 2. – P. 68–75.
  • Promising characteristics of gradient porosity Ti-6Al-4V alloy prepared by SLM process / M. Fousová, D. Vojtech, J. Kubásek, E. Jablonská, J. Fojt // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2017. – Vol. 69. – P. 368–376.
  • Davoodi, E. Additively manufactured gradient porous Ti−6Al−4V hip replacement implants embedded with cell-laden gelatin methacryloyl hydrogels / E. Davoodi, H. Montazerian // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021. – Vol. 13, no. 19. – P. 22110–22123.
  • Zhang, B. Gradient scaffolds for osteochondral tissue engi-neering and regeneration / J. Zhang, J. Huang, R.J. Narayan // Journal of Materials Chemistry B. – 2020. – Vol. 8, no. 6. – P. 8149–8170.
  • Wu, J. Design and optimization of conforming lattice struc-tures / J. Wu, W. Wang, X. Gao // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. – 2019. – Vol. 27, no. 1. – P. 43–56.
  • Lin, C. Efficient design optimization of variable-density cellular structures for additive manufacturing: theory and experimental validation / C. Lin, P. Zhang, E. Biyikli // Rap-id Prototyping Journal. – 2017. – Vol. 23, no. 4. – P. 660–677.
  • Natural frequency optimization of variable-density additive manufacturing lattice structure: theory and experimental val-idation / L. Cheng, X. Liang, E. Belski, X. Wang, J. M. Sietins, S. Ludwick, A. To // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2018. – Vol. 140. – Article no. 105002.
  • Finite element analysis of the pelvis after customized pros-thesis reconstruction / E. Dong, L. Wang, T. Iqbal, D. Li, Y. Liu, J. He, B. Zhao, Y. Li // Journal of Biomechanics. – 2018. – Vol. 15. – P. 443–451.
  • Huiskes, R. The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials / R. Huiskes, H. Weinans, B. van Rietbergen // Clinical Orthopaedics and Related Re-search. – 1992. – Vol. 274. – P. 124–134.
  • Development of finite element model for customized pros-theses design for patient with pelvic bone tumor / T. Iqbal, L. Shi, L. Wang, Y. Liu, D. Li, M. Qin, Z. Jin // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H. – 2017. – Vol. 231. – P. 525–533.
  • Inhomogeneous material property assignment and orienta-tion definition of transverse isotropy of femur / H. Yang, T. Guo, J. Wu, X. Ma // Journal of Biomedical Science and Engineering. – 2009. – Vol. 2, no. 6. – P. 419–424.
  • Soloviev, D.O. Acetabular implant finite element simulation with customised estimate of bone properties / D.O. Soloviev, L.B. Maslov, M.A. Zhmaylo // Materials. – 2023. – Vol. 16. – № 1. – Article no. 398.
  • Keaveny, T.M. Mechanical behavior of human trabecular bone after overloading / T.M. Keaveny, E.F. Wachtel, D.L. Kopperdahl // Journal of Biomechanics. – 2011. – Vol. 17. – P. 346–353.
  • Biomedical applications of polymer-composite materials: a review / S. Ramakrishna, J. Mayer, E. Wintermantel, K.W. Leong // Composites Science and Technology. – 2001. – Vol. 61. – P. 1189–1224.
  • Ti6Al4V Titanium Alloy, available at: https://web.archive.org/web/20200215075815/http://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Ti6Al4V-Titanium-Alloy.pdf (accessed 10 February 2024).
  • Bergmann, G. Hip contact forces and gait patterns from rou-tine activities / G. Bergmann, G. Deuretzbacher // Journal of Biomechanics. – 2001. – Vol. 34. – P. 859–871.
  • 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.
  • Finite element homogenization and experimental evaluation of additively manufactured lattice metamaterials / M.A. Zhmaylo, L.B. Maslov, A.I. Borovkov, F.D. Tarasenko // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2023. – Vol. 45, no. 6. – Article no. 299.
  • Elastic properties of additively produced metamaterials based on lattice structures / A.I. Borovkov, L.B. Maslov, M.A. Zhmaylo, F.D. Tarasenko, L.S. Nezhinskaya // Materi-als Physics and Mechanics. – 2023. – Vol. 51, no. 7. – P. 42–62.
  • Перельмутер, М.Н. Концентрация напряжений в кост-ных тканях и винтовых дентальных имплантатах / М.Н. Перельмутер // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 2. – С. 18–29.
  • 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. – Т. 27, № 1. – С. 10–21.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp