Анализ контактного давления в 3D модели сдвоенного

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3564 (2023) Цитировать эту статью

1789 Доступов

26 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Протезы тазобедренного сустава используются для замены функции тазобедренного сустава в организме человека. Новейший протез тазобедренного сустава с двойной подвижностью имеет дополнительный компонент внешней оболочки, который действует как прикрытие для компонента вкладыша. Исследования контактного давления, создаваемого последней моделью протеза тазобедренного сустава с двойной подвижностью в ходе цикла ходьбы, никогда ранее не проводились. Модель изготовлена ​​из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) на внутреннем вкладыше и нержавеющей стали 316L (SS 316L) на внешнем вкладыше и вертлужной чашке. Рассмотрено имитационное моделирование методом конечных элементов статического нагружения с неявным решателем для исследования конструкции геометрических параметров двухподвижных протезов тазобедренного сустава. В этом исследовании имитационное моделирование проводилось путем применения различных углов наклона 30°, 40°, 45°, 50°, 60° и 70° к чашечному компоненту вертлужной впадины. Трехмерные нагрузки были приложены к контрольным точкам головки бедренной кости с вариациями диаметра головки бедренной кости, составлявшими 22 мм, 28 мм и 32 мм. Результаты исследования внутренней поверхности внутреннего вкладыша, внешней поверхности внешнего вкладыша и внутренней поверхности вертлужной чашки показали, что изменения угла наклона не оказывают существенного влияния на максимальное значение контактного давления на компонент вкладыша. , где вертлужная чашка с углом наклона 45° может снизить контактное давление больше, чем другие изученные варианты угла наклона. Кроме того, было обнаружено, что диаметр головки бедренной кости 22 мм увеличивает контактное давление. Использование головки бедренной кости большего диаметра с конфигурацией вертлужной чашечки под углом 45° может минимизировать риск отказа имплантата из-за износа.

Был внедрен протез бедра с двойной подвижностью, чтобы снизить риск вывиха до 0,9% за 10 лет использования1 и повысить общую стабильность и диапазон движений2,3. Он был создан для увеличения диапазона движений при ежедневном использовании4. Расширенный диапазон движений позволяет избежать защемления протеза тазобедренного сустава. В традиционной модели протеза тазобедренного сустава с двойной подвижностью происходят два основных взаимодействия: чашка вертлужной впадины с вкладышем и вкладыш с головкой бедренной кости, вызывающие износ в двух разных местах5,6.

Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ) широко используется, особенно в качестве несущего материала при операциях по замене тазобедренного сустава7,8. Тип СВМПЭ, используемый в медицинской сфере, имеет молекулярную массу от 3,5 до 6 миллионов г/моль и степень кристалличности от 50 до 55%9. Кроме того, металлы широко используются в ортопедической сфере как во временном, так и в постоянном оборудовании. Использование металла в постоянных ортопедических изделиях (протезах) нельзя отделить от рассмотрения химических реакций, которые могут возникнуть при взаимодействии металлических остатков с тканями организма, особенно костями10,11,12.

Адам и др.13 обнаружили, что существует два вида износа. Износ в результате взаимодействия выпуклой поверхности имеет большую величину, чем тот, который возникает на вогнутой поверхности. Остеолиз и металлоз возникают в результате износа компонентов протеза тазобедренного сустава с двойной подвижностью14,15. Для уменьшения количества полиэтиленовых остатков износа во вкладыш был добавлен защитный элемент из металла, чтобы выпуклая поверхность полиэтилена не подвергалась сильному износу. Кроме того, модель протеза тазобедренного сустава с двойной подвижностью, разработанная Сапутрой и др.16, имеет дополнительный внешний компонент вкладыша, который покрывает весь полиэтиленовый вкладыш.

Экспериментальные и клинические испытания по оценке износа протезов тазобедренного сустава с двойной подвижностью требуют более высоких затрат, сложного оборудования и более длительных сроков17,18,19. Чтобы избежать препятствий, с которыми сталкиваются экспериментальные и клинические исследования, стратегическим вариантом может стать компьютерное моделирование на основе метода конечных элементов20,21. Этот подход также может стать основой для первоначальных исследований по разработке протеза тазобедренного сустава двойной подвижности с различными параметрами, чтобы можно было оценить затраты и энергию, затраченную на попытки проб и ошибок, прежде чем продолжить экспериментальные и клинические испытания в дальнейших исследованиях. исследовать. Вычислительное моделирование играет ключевую роль в прогнозировании контактного давления и усилий по его снижению с помощью различных параметров, изученных в протезе тазобедренного сустава с двойной подвижностью. Контактное давление является важным аспектом, поскольку оно имеет линейную зависимость от износа, который является одной из причин отказа имплантата22,23.