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

Abstract

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». Ключевые слова: конечно-элементные модели, межтеловой спондилодез, имплантат, тело позвонка, напряженно-деформированное состояние, контактное давление, углерод-углеродный композит.