Разработка методики расчета параметров ортеза из полимера с памятью формы
Автор: Сметанников О.Ю., Ильиных Г.В., Фасхутдинова Ю.Б.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 т.29, 2025 года.
Бесплатный доступ
Объектом рассмотрения является новая конструкция ортеза пальца руки, для изготовления которого использованы трубчатые заготовки из сшитого полиэтилена (СПЭ). Изделия из СПЭ проявляют гиперупругие и вязкоупругие свойства, в том числе эффект памяти формы (ЭПФ), однако сфера применения термоусаживаемых трубок (ТУТ) в основном ограничена соединительными конструкциями. Проведено исследование применения ТУТ в качестве ортеза, фиксирующего положение повреждѐнного сустава или конечности человека. Рассматривается полая термоусаживаемая трубка, которая осаживается на бинтовую повязку, намотанную на палец. К преимуществам нового ортеза следует отнести его нечувствительность к нецилиндричности реального объекта изучения (пальца): в полученных формулах фигурируют осредненные параметры, автоматически учитывающие вариации геометрии и податливости пальца по длине. Имеется возможность, по мере рассасывания отека мягких тканей, промежуточного осаживания первичного фиксатора из ТУТ путём его дополнительного нагрева-охлаждения. Конструкция отличается легкостью и минимальной габаритностью. Показано некорректное описание термомеханического поведения трубки с помощью совмещенной вязкоупругой модели Prony и гиперупругой модели Mooney – Rivlin в диапазоне деформаций, превышающем значение 70 %. Выполнено уточнение ранее описанной гипервязкоупругой физической модели при помощи соотношений Ogden. Получены критерии выбора геометрических параметров заготовок ортеза, в том числе формула для оценки давления на палец пациента, скорректированная с учетом численных расчетов в ANSYS. Разработана и реализована экспериментальная методика определения свойств низкомодульных материалов на основе винтовой ленточной намотки. Полученные свойства живых мягких тканей пальца и многослойного марлевого бинта имплементированы в ANSYS в виде мультиэластичной модели. Построена пространственная конечно-элементная модель системы «палец – бинт – ортез» для точной оценки напряженно-деформированного состояния системы. Для оценки жесткости проводились дополнительные численные эксперименты, в которых исходной конечно-элементной сеткой служила деформированная модель после усадки. На основе полученных значений давления и жесткостей построен общий критерий оценки конфигурации ортеза.
Память формы, сшитый полиэтилен, вязкоупругость, ортез, термоусаживаемая трубка
Короткий адрес: https://sciup.org/146283196
IDR: 146283196 | УДК: 531/534: [57+61] | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2025.3.05
Development of a method for calculating the parameters of shape memory polymer orthosis
The object of consideration is a new design of a finger orthosis. It is manufactured using tubular blanks made of cross-linked polyethylene (CLPE). CLPE products exhibit hyperelastic and viscoelastic properties, including the shape memory effect (SME), but the scope of application of heat-shrinkable tubes (HST) is mainly limited to connecting structures. A study was conducted on the use of HST as an orthosis that fixes the position of a damaged joint or limb of a person. A hollow heat-shrinkable tube is considered, which is deposited on a bandage wound on a finger. The advantages of the new orthosis include its insensitivity to the non-cylindrical shape of the real object of study (finger). The obtained formulas include averaged parameters that automatically take into account variations in the geometry and compliance of the finger along its length. It is possible, as the soft tissue edema resolves, to intermediately settle the primary fixator from HST by means of its additional heating and cooling. The design is lightweight and has minimal dimensions. An incorrect description of the thermomechanical behavior of a tube using a combined viscoelastic Prony model and a hyperelastic Mooney – Rivlin model in a range of deformations exceeding 70 % is shown. A refinement of the previously described hyperviscoelastic physical model using Ogden relations is performed. The criteria for selecting the geometric parameters of the orthosis blanks were obtained, including a formula for estimating the pressure on the patient's finger, adjusted taking into account numerical calculations in ANSYS. An experimental method for determining the properties of low-modulus materials based on screw tape winding was developed and implemented. The obtained properties of living soft tissues of the finger and a multilayer gauze bandage were implemented in ANSYS as a multi-elastic model. A spatial finite element model of the finger-bandage-orthosis system was constructed for an accurate assessment of the stress-strain state of the system. Additional numerical experiments were conducted to assess the rigidity, in which the initial finite element mesh was the deformed model after shrinkage. Based on the obtained pressure and rigidity values, a general criterion for assessing the orthosis configuration was constructed.
