Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день дегенеративные заболевания опорно-двигательного аппарата (заболевания при непрерывном ухудшении структуры и функционирования тканей или органов) занимают одно из первых мест в мире по инвалидности человека [1].
Одним из наиболее известных дегенеративных заболеваний является артритическое заболевание, т.е. воспаление суставов человека, при котором происходит разрушение хрящевой ткани. Количество пациентов, страдающих деформирующим артрозом тазобедренного сустава, неуклонно увеличивается. В условиях роста числа операций по эндопротезированию тазобедренного сустава возрастает и потребность в кастомизированных имплантатах [2, 3].
Постоянное развитие и совершенствование ортопедических имплантатов требует большого внимания, так как операции, выполняемые для лечения травм и заболеваний суставов, наряду с их осложнениями, являются очень распространенными. К сожалению, срок службы протеза конечен, т.к. механический износ, асептическое расшатывание
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ2
1.ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ6
1.1Биомеханическое поведение системы при ходьбе6
1.2Математическая постановка задачи7
1.3Нагрузки и кинематические ограничения10
1.4Метод исследования15
2.ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ19
2.1Физико-механические свойства биологических тканей19
2.2Физико-механические свойства полимерно-композиционных материалов21
3.РАЗРАБОТКА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ТАЗ – КАСТОМИЗИРОВАННЫЙ ИМПЛАНТАТ»28
3.1Построение конечно-элементных моделей28
3.2Верификация конечно-элементной сетки32
3.3Сборка системы «таз – кастомизированный имплантат»35
4.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ40
4.1Анализ напряженно-деформированного состояния системы «таз – стандартный имплантат»41
4.2Анализ напряженно-деформированного состояния системы «таз – индивидуальный имплантат»48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ61
ПРИЛОЖЕНИЕ А68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
James S.L., Abate D., Abate K.H. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 354 diseases and injuries for 195 countries and territories, 1990-2017: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017 // Lancet. – 2018. – Vol. 392(10159). – P. 1789-1858.
Ежов, И.Ю. Государственно-частное партнерство как структура для совершенствования оказания высокотехнологической медицинской помощи / И.Ю. Ежов // Мед. альманах. – 2010. – № 2 (11). – С. 15-17.
Чёрный А.Ж., Кувакин В.И., Воронцова Т.Н., Вебер Е.В., Курчиков А.Г. Система учёта пациентов, нуждающихся в эндопротезировании тазобедренного и коленного суставов // Вестник Российской Военно-медицинской академии. – 2015. – 4(52). – С. 176-182.
Kurtz S.M., Devine J.N. PEEK biomaterials in trauma, orthopedic, and spinal implants // Biomaterials. – 2007. – № 28. – P. 45-69.
ГОСТ Р ИСО 5832-3-2014. Имплантаты для хирургии. Металлические материалы. Часть 3. Деформируемый сплав на основе титана, 6-алюминия и 4-ванадия. – М.: Стандартинформ, 2015. – 4 с.Material Datasheet: TIMETAL 6-4s, Titanium Metals Corporation, 2000.
Davidson J.A. The challenge and opportunity for composites in structural orthopedic applications // J. Composite Tech. Res. – 1987. – № 9. –P. 15
Esper F.J., Harms J., Mittelmeier H., Gohl W. Carbon fiber reinforced triazin resin for endoprostheses // Proceedings of the Materials Research Symposium: Biomedical Materials. – 1986. – № 55. – P. 203.
Iyer L.S., Jayasekaran T., Blunck C.F.J., Selvam R.P.Development of optimized epoxy graphite implant for total hip joints // Biomed. Sci. Instrum. – 1957.
Katz J.L. Present and potential biomedical applications of composite materials technology. Contemporary Biomaterials. Material and Host Response, New Technology and Legal Aspects // Park Ridge, Illinois: Noyes Publication, 1984. – P. 453-476.
Williams D.F., McNamara A., Turner R.M. Potential of polyetheretherketone
В другом исследовании они также провели in vivo фиксацию бесцементных и цементированных PEEK/CF ножек бедра на модели овцы в течение 52 недель после имплантации. Нецементированная ножка из PEEK/CF с покрытием из гидроксиапатита показала фиксацию костного нароста. Цементированная ножка из PEEK/CF без покрытия обеспечивала стабильную долговременную фиксацию без зазоров как на границе кость-цемент, так и цемент-ножка [48]. Авторы [47] также имплантировали PEEK/CF с покрытием ГК в бедренные кости кроликов. Прочность на сдвиг на границе раздела имплантатов из PEEK/CF с покрытием ГК и непокрытых PEEK/CF имплантатов определяли с помощью теста на отрыв [49]. После имплантации в течение 6 недель прочность на сдвиг имплантата из PEEK/CF с покрытием из ГК (15,7-4,5 МПа) вдвое превышала прочность имплантата из PEEK/CF без покрытия (7,7-1,8 МПа).