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   |   УДК: 004.942/539.3:   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.01

Development of functionally graded structure for hip endoprosthesis stem based on lattice-type metamaterial

The paper reports on design and studies of a promising configuration of a hip endoprosthesis stem. The femoral component of the endoprosthesis is constructed based on a metamaterial produced by additive technologies, representing a periodic porous structure of variable topology. The central goal of the design procedure was to numerically determine the spatially graded relative density of the lattice structure within the implant volume by solving the optimization problem. The first stage of development comprised finite element modeling of a system with a solid implant attached, i.e., the optimization space, for seven different loading scenarios. These scenarios were constructed to represent the most typical cases of human motor activity. The second step was to determine the optimal spatial distribution of relative density of the lattice structure in the implant volume, obtained by solving the topological optimization problem under the given loading. After the optimization problem was solved, the distribution of the relative density of the lattice structure was obtained, serving as a basis for constructing a geometric model of a functionally graded porous scaffold for implantation. This result allows to achieve an optimal ratio of stiffness and mass properties under the given loading conditions. The approach was verified by direct finite element modeling of the constructed lattice geometry of the implant under specific loading scenarios. Analyzing the stress fields in the volume of the endoprosthesis, we concluded that there were no critical regions in the developed structure, so the approach taken to develop the metamaterial-based endoprosthesis can be deemed correct.

Еще

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