PREDICTION OF THE BEARING CAPACITY OF THE HIP JOINT ENDOPROSTHESIS FROM THE С/C COMPOSITES

Abstract


The article evaluates the bearing capacity of the hip joint endoprosthesis made of carbon/carbon (С/C) composites under anatomical load. С/C is made on the basis of carbon fiber Ural N/400-22 and phenolformaldehyde resin novolachny type RP-010. A significant complexity in modeling an endoprosthesis is the prediction of the properties of С/C. The complexity of mathematical modeling based on the mechanics of composite materials consists in the impossibility of experimentally determining the mechanical characteristics of a pyrocarbon matrix. The pyrocarbon matrix does not exist in its pure form separately from the composite material. The mechanical characteristics of the С/C are calculated, mathematical models of bone tissue and endoprosthesis are constructed, taking into account the complex composite structure. The femur is represented by a combination of cortical and spongy tissue. The femur in the study was fixed along the lateral and medial condyles of the femur. This fixation corresponds to the contact spot of the condyle with the lateral and medial menisci. The hypothesis is confirmed that the weakest component in the С/C is the pyrocarbon matrix. The position of the highest values of normal and tangential stresses are revealed. The position of concentration of tangential stresses coincide with the areas of destruction of the endoprosthesis during compression testing, which were previously visually identified. New design and technological requirements for the structure have been identified, which will contribute to increasing the reliability of the endoprosthesis.

Full Text

Эндопротезирование тазобедренного сустава явля-ется эффективным способом лечения опорно-двига¬тель-ного аппарата, когда консервативное лечение перестает давать положительные результаты и не может выполнять часть основных функций. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава заключается в замене подвижного соединения бедренной и тазовой кости аналогом из биоинертного материала. Ежегодно в мире выполняют более 1 млн операций по эндопротезированию [1–12]. Увеличение операций по протезированию тазобедренного сустава (ТБС) к 2030 г. составит 572 тыс., что на 174 % больше в срав-нении с 2005 г. [1–4; 12]. Тенденция к росту числа опе-раций по эндопротезированию ТБС связана с увеличе-нием средней продолжительности жизни населения, так как после 40 лет процесс роста мышечной и костной тканей снижается, уменьшается уровень выработки половых гормонов, что приводит нарушению равновесия между процессами образования и резорбции костной ткани, а также к профициту процессов резорбции. Так как тазобедренный сустав является одним из самых нагруженных подвижных соединений в теле че-ловека, то к требованиям биологической совместимости добавляется важнейшее требование – обеспечение не-сущей способности в течение длительного промежутка времени. Большое количество работ посвящено оценке на-пряженно-деформированного состояния (НДС) эндо-протезов ТБС [5–12]. В работах импланты изготовлены из металлических материалов. Металлические материалы имеют более высокие упругие и прочностные характеристики, что приводит к расшатыванию импланта в силу большой разницы в модулях упругости костной ткани и импланта. Существенная разница в упругих характеристиках ограничивает распределение нагрузки от импланта к кости. УУКМ имеет близкие упругие характеристики к на-тивной кости человека, что исключает возможную ре-зорбцию костной ткани. В работах [5–12] исследова-лись импланты, механические характеристики которых известны, а сами материалы являлись изотропными, что не представляло сложности при моделировании. Экспе-риментальное определение механических свойств од-нонаправленных УУКМ представляет большую слож-ность. Матрица УУКМ создается в процессе формова-ния конструкции и не существует отдельно от УУКМ, поэтому нет возможности экспериментально измерить свойства. Свойства матрицы УУКМ необходимо моде-лировать. Данное обстоятельство затрудняет прогнози-рование свойств с помощью механики композиционных материалов. Исследование несущей способности эндопротеза и оценка верности гипотезы о первичном разрушении пироуглеродной матрицы в УУКМ вызвано проведен-ным авторами экспериментом (рис. 1). Эксперимент состоял в нагружении эндопротеза вертикальной силой до момента разрушения (рис. 2, 3). Далее нагрузка сни-малась, и протез нагружался вторично. Рис. 1. Эксперимент по нагружению эндопротеза Fig. 1. Experimental loading of the endoprosthesis Рис. 2. Диаграмма нагружения эндопротеза Fig. 2. Experimental loading of the endoprosthesis Рис. 3. Вид конструкции после проведения первого нагружения (красным цветом выделены места разрушения) Fig. 3. View of the structure after the first loading (points of destruction are highlighted in red) Визуальный осмотр места разрушения выявил (см. рис. 3), что разрушение происходит от межволо-конных сдвигов, пироуглеродная матрица разрушается, а волокна нет. При вторичном нагружении эндопротез продолжает сохранять несущую способность. Нагружение на разрывной машине не является анатомической нагрузкой, так как результирующая мышечных и массовых сил направлена под некоторым углом к фронтальной оси. Для точного определения несущей способности эндопротеза необходимо моде-лировать биомеханическую систему «эндопротез – кость», учитывая сложную структуру УУКМ.

About the authors

E. S. Razumovskii

Perm National Research Polytechnic University

V. E. Shavshukov

Perm National Research Polytechnic University

A. N. Anoshkin

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. 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.
  2. А.П. Середа. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Ответы на все вопросы. - М.: Гранат, 2014. - 121 с., 110.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Применение метода конечных элементов при моделировании биологических систем в травматологии и ортопедии / В.Э. Дубров, Д.А. Зюзин, И.А. Кузькин, И.М. Щербаков, С.В. Донченко, К.А. Сапрыкина // Российский журнал биомеханики. - 2019. - Т. 23, № 1. - С. 140-152.
  7. 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.
  8. Биомеханическое моделирование интраоперационного 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. Bombelli R. Structure and function in normal and abnormal hips. - Springer Berlin Heidelberg, 1993. - 211 p.
  16. 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.
  17. Сапин М.Р., Билич Г.Л. Нормальная анатомия человека: учебник: в 2 кн. - М.: ООО "Медицинское информационное агентство", 2010. - Кн. 1. - 480 с.
  18. 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 and Biological Engineering and Computing. - 2020. - Vol. 58. - P. 1341-1355.
  19. 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.
  20. 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.
  21. Волотовский А.И. Регенерация костной ткани в норме и при патологии: метод. рекомендации. - Минск: БГМУ, 2010. - 24 с.
  22. Каплан, А.В. Повреждения костей и суставов. - М.: Медицина, 1979. - 3-е изд. - 568 с.
  23. 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.
  24. Кирилова И.А. Костная ткань как основа остеопластических материалов для восстановления костной структуры // Хирургия позвоночника. - 2011. - Т. 1. - С. 68-74.
  25. Фигурска М. Структура компактной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2007. - Т. 11, № 3. - С. 28-38.
  26. D 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Прогнозирование физико-механических свойств пироуглеродной 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.
  30. Ташкинов А.А., Шавшуков В.Е. Прогнозирование эффективных теплофизических характеристик пироуглеродных матриц // Математическое моделирование систем и процессов. - 2002. - № 10.
  31. Modelling of pseudoplastic deformation of carbon/carbon composites with pyrocarbon matrix / V. Shavshukov, A. Tashkinov, Y.M. Strzhemechny and D. Hui // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. - 2008. - Vol. 16. - P. 18.
  32. ТУ BY 400031289.140-2010. Нити углеродные Урал-Н. - М., 2010.
  33. Mcnamara, Laoise. Bone as a Material // Comprehensive Biomaterials. - 2011. - Vol. 2. - P. 169-186.
  34. Клеточные реакции и цитотоксичность медицинских материалов в отношении лейковзвеси человека / С.В. Шкодкин, 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.
  35. Соколкин, Ю.В. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. - М.: Наука. Физматлит, 1996. - 239 с.

Statistics

Views

Abstract - 147

PDF (Russian) - 131

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Razumovskii E.S., Shavshukov V.E., Anoshkin A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies