Експериментальне дослідження міцності елементів ендопротезів кульшового суглоба, виготовлених методом 3D-друку

Abstract

Тhree-dimensional printing of porous titanium implants is a promi­sing area of additive production in orthopedic surgery. The question remains relevant mechanical strength and durability of such device. Objective. Determine in the experiment the strength of the stem, the neck of the stem and the cups of hip endoprosthes made by 3D-printing from titanium alloy, and compare with a similar rate of serial implants. Methods. The strength of the stem and cups of hip endoprostheses made by 3D-printing on an Arcam printer from titanium alloy TI6AL4V was studied. Serials hip implants made form titanium alloy. There were 3 samples of hip endoprostheses for each test. Stems of endoprostheses were exa­mined on the TIRATEST-2300 machine under the conditions of loading on a three-point bend, the necks of stems were exami­ned under the influence of combined load on the bend with a shift, the cups were examined on compression. Results. Tensile strength in the case of three-point bending of the stems of implants made by mechanical processing and 3D printing did not have any differences significantly (p = 0.146) and was (1480.62 ± 62.50) MPa and (1396.88 ± 50.90) MPa, respectively. The necks of stems of serial endoprostheses and made by 3D-printing had a comparable limit of strength — (408.61 ± 1.25) MPa and (403.49 ± 8.99) MPa, respectively (p = 0.384). Under the conditions of compression tests of cups of endoprostheses all the samples withstood a load of 98.0 kN without any signs of destruction. Conclusions. The va­lues of the tensile strength of the components of serial implants and those made by 3D-printing did not differ statistically significantly. Thus, 3D-porous structures have significant potential for creation of elements of hip endoprostheses.

Трехмерная печать пористых титановых имплантатов является перспективным направлением аддитивного производства в ортопедии и травматологии. Актуальным остается вопрос механической прочности и выносливости таких конструкций.Цель. Определить в эксперименте предел прочности ножки, шейки и чашки эндопротезов тазобедренного сустава (ТБС), изготовленных методом 3D-печати из сплава титана, и сравнить с аналогичным показателем серийных имплантатов.Методы. Исследована прочность ножек и чашек эндопротезов ТБС, изготовленных методом 3D-печати на принтере системы Arcam EBM® из сплава титана TI6AL4V. В качестве контроля выбраны серийные эндопротезы, полученные методом механической обработки заготовок из цельного сплава титана. Использовано по 3 образца эндопротезов для каждого испытания. Ножки эндопротезов исследовали на машине TИRATEST-2300 в условиях нагрузки на трехточечный изгиб, шейку ножки — под влиянием комбинированной нагрузки на изгиб со сдвигом, чашки — на сжатие.Результаты. Предел прочности при трехточечном сгибе ножек эндопротезов ТБС, изготовленных механической обработкой и с помощью 3D-печати, существенно не отличался (p = 0,146) и составил (1480,62 ± 62,50) МПа и (1396,88 ± 50,90) МПа соответственно. Шейки серийных эндопротезов и изготовленных методом 3D-печати имели сравнимый предел прочности — (408,61 ± 1,25) МПа и (403,49 ± 8,99) МПа соответственно (p = 0,384). В условиях испытаний на сжатие чашек эндопротезов все образцы выдержали нагрузки 98,0 кН без каких-либо признаков разрушения.Выводы. Величины предела прочности компонентов серийных эндопротезов ТБС и изготовленных методом 3D-печати статистически значимо не отличались. Таким образом, 3D-пористые конструкции имеют значительный потенциал для создания элементов эндопротезов.

Тривимірний друк пористих титанових імплантатів є перспективним напрямком адитивного виробництва в ортопедії і травматології. Актуальним залишається питання механічної міцності та витривалості таких конструкцій. Мета. Визначити в експерименті межу міцності ніжки, шийки та чашки ендопротезів кульшового суглоба (КС), виготовлених методом 3D-друку зі сплаву титану, та порівняти з аналогічним показником серійних імплантатів. Методи. Досліджено міцність ніжок і чашок ендопротезів ТБС, виготовлених методом 3D-друку на принтері системи Arcam EBM® зі сплаву титану TI6AL4V. Як контроль обрані серійні ендопротези, отримані методом механічної обробки заготовок з суцільного сплаву титану. Використано по 3 зразки ендопротезів для кожного випробування. Ніжки ендопротезів досліджували на машині TІRATEST-2300 за умов навантаження на триточковий згин, шийку ніжки — під впливом комбінованого навантаження на згин зі зсувом, чашки — на стискання. Результати. Межа міцності в разі триточкового згину ніжок ендопротезів КС, виготовлених механічною обробкою і за допомогою 3D-друку, істотно не відрізнялася (p = 0,146) і становила (1480,62 ± 62,50) МПа і (1396,88 ± 50,90) МПа відповідно. Шийки серійних ендопротезів і виготовлених методом 3D-друку мали порівнянну межу міцності — (408,61 ± 1,25) МПа і (403,49 ± 8,99) МПа відповідно (p = 0,384). За умов випробувань на стискання чашок ендопротезів усі зразки витримали навантаження 98,0 кН без будь-яких ознак руйнування. Висновки. Величини межі міцності компонентів серійних ендопротезів КС і виготовлених методом 3D-друку статистично значуще не відрізнялися. Таким чином, 3D-пористі конструкції мають значний потенціал для створення елементів ендопротезів.