Математичне та комп’ютерне моделювання нового ендопротеза з вуглець-вуглецевого композиту для міжтілового спондилодезу поперекового відділу хребта

Abstract

Endoprostheses for interbody fusion should have not only biocompatibility and high strength characteristics, but also good visualization with additional research methods (CT, MRI). One such material is carbon. Aim: using mathematical modeling (the finite element method) to develop a model of the interbody prosthesis from a carbon-carbon composite and evaluate the stress-strain state of the vertebral body-implant system.Methods: models created in SolidWorks software. 18 design schemes with endoprostheses from a carbon-carbon composite were developed and studied. Bending load was carried out by angular displacements (2°), compressive — by applying a force of 500 N to the upper cubic element. Additional symmetry conditions were also simulated.Results: a parametric model of the biomechanical system of the lumbar spine was constructed. The smallest equivalent stresses were obtained in the design scheme M17, and the largest — in M13. In the bone elements of the systems, they did not exceed the ultimate strength limits for cortical (160 MPa) and cancellous (18–22 MPa) bones. Contact pressure and displacement are determined for all design schemes.Conclusions: as a result of the numerical values and distribution fields of the components of the stress-strain state in the elements of the studied systems, it was found that the use of the proposed endoprosthesis made of a carbon-carbon composite, the geometric parameters of which correspond to the design scheme M17, is effective for achieving additional stabilization in the system «vertebral body – implant».Эндопротезы для межтелового спондилодеза должны обладать не только биосовместимостью и высокими прочностными характеристиками, но и хорошей визуализацией при дополнительных методах исследования (КТ, МРТ). Одним из таких материалов является углерод.Цель: при помощи математического моделирования с использованием метода конечных элементов разработать модель межтелового эндопротеза из углерод-углеродного композита и оценить напряженно-деформированное состояние системы «тело позвонка – имплантат».Методы: модели созданы в программном продукте SolidWorks. Разработаны и исследованы 18 расчетных схем с эндопротезами из углерод-углеродного композита. Сгибающую нагрузку осуществляли путем угловых перемещений (2°), сжимающую — приложением силы 500 Н к верхнему кубическому элементу. Также моделировали дополнительные условия симметрии.Результаты: построена параметрическая модель биомеханической системы поясничного сегмента позвоночника. Наименьшие эквивалентные напряжения получены в расчетной схеме М17, а наибольшие — в М13. В костных элементах систем они не превышали предельных границ прочности для кортикальной (160 МПа) и губчатой (18–22 МПа) костей. Определено контактное давление и перемещение для всех расчетных схем.Выводы: в результате полученных численных значений и полей распределения компонент напряженно-деформированного состояния в элементах исследуемых систем установлено, что использование предложенного эндопротеза, изготовленного из углерод-углеродного композита, геометрические параметры которого соответствуют расчетной схеме М17, эффективно для достижения дополнительной стабилизации в системе «тело позвонка – имплантат».Ендопротези для міжтілового спондилодезу повинні бути не лише біосумісними та мати високі характеристики міцності, а й чітко візуалізуватися в разі додаткових методів дослідження (КТ, МРТ). Одним із таких матеріалів є вуглець.Мета: за допомогою математичного моделювання з використанням методу скінченних елементів розробити модель міжтілового ендопротеза з вуглець-вуглецевого композита й оцінити напружено-деформований стан системи «тіло хребця – імплантат».Методи: моделі створені в програмному продукті SolidWorks. Розроблено та досліджено 18 розрахункових схем з ендопротезами з вуглець-вуглецевого композита. Згинальне навантаження здійснювали шляхом кутових переміщень (2°), стискальне — прикладанням сили 500 Н до верхнього кубічного елемента. Також моделювали додаткові умови симетрії.Результати: побудована параметрична модель біомеханічної системи поперекового сегмента хребта. Найменші еквівалентні напруження отримані в розрахунковій схемі М17, а найбільші — в М13. У кісткових елементах систем вони не перевищували граничних меж міцності для коркової (160 МПа) і губчастої (18-22 МПа) кісток. Визначено контактний тиск і переміщення для всіх розрахункових схем.Висновки: у результаті отриманих чисельних значень і полів розподілу компонент напружено-деформованого стану в елементах досліджуваних систем встановлено, що використання запропонованого ендопротеза, виготовленого з вуглець-вуглецевого композита, геометричні параметри якого відповідають розрахунковій схемі М17, ефективно для досягнення додаткової стабілізації в системі «тіло хребця – імплантат ».