Определение механических характеристик биокомпозита кость – титан на основании данных компьютерной томографии и конечно-элементного моделирования

  • Андрей Викторович Никитин Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-6508-2020-2-79-85

Аннотация

Целью исследований является изучение эффекта врастания костной ткани в свободные поры имплантата и определение механических свойств образованного биокомпозита. Описывается построение конечно-элементной модели на основании данных компьютерной томографии, что дает возможность изучить взаимодействие металлической структуры и кости под влиянием сжимающей нагрузки. Результаты моделирования сравниваются  с итогами натурного эксперимента по сжатию образцов пористого титана. Метод конечно-элементного моделирования, основанный на данных компьютерной томографии, позволил получить кривую зависимости деформации от напряжения для биокомпозита кость – титан. Доказано, что модуль упругости металлического образца увеличивается на 29 % после заполнения свободных пор костной тканью, а условный предел текучести биокомпозита кость – титан возрастает в 2 раза.

Биография автора

Андрей Викторович Никитин, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры био- и наномеханики механико-математического факультета

Литература

  1. Tozzi G, Zhang Q-H, Lupton C, Tong J, Guillen T, Ohrndorf A, et al. Characterisation of a metallic foam – cement composite under selected loading conditions. Journal of Materials Science. Materials in Medicine. 2013;24(11):2509–2518. DOI: 10.1007/ s10856-013-5000-8.
  2. Nikitsin АV. Biomechanical assessment of the bone ingrowth effect during cementless endoprosthesis osteointegration. Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Mathematics. Mechanics. Informatics. 2013;13(4-1):90–96. Russian.
  3. Nikitsin АV, Mikhasev GI, Maslov AP. Finite element analysis of the porous coating in hip-joint prosthesis. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2012;1:86–89. Russian.
  4. Li H, Oppenheimer SM, Stupp SI, Dunand DC, Brinson LC. Effects of pore morphology and bone ingrowth on mechanical properties of microporous titanium as an orthopaedic implant material. Materials Transactions. 2004;45(4):1124–1131. DOI: 10.2320/ matertrans.45.1124.
  5. Maslov AP, Rutskii AV, Nikitin AV. [Periprosthetic fracture of the stem in cementless hip-joint replacement system SLPS]. Meditsina. 2013;1:7–13. Russian.
  6. Esen Z, Tarhan Bor E, Bor S. Characterization of loose powder sintered porous titanium and Ti6Al4V alloy. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences. 2009;33(3):207–219. DOI: 10.3906/muh-0906-41.
  7. Thelen S, Barthelat F, Brinson LC. Mechanics considerations for microporous titanium as an orthopedic implant material. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 2004;69A(4):601–610. DOI: 10.1002/jbm.a.20100.
  8. de Vasconcellos L-M-R, Leite D-de O, Nascimento F-O, de Vasconcellos L-G-O, Graça M-L-de A, Carvalho Y-R, et al. Porous titanium for biomedical applications: an experimental study on rabbits. Medicina Oral, Patología Oral y Cirugía Bucal. 2010;15(2):407–412.
  9. Singh R, Lee PD, Lindley TC, Kohlhauser C, Hellmich C, Bram M, et al. Characterization of the deformation behavior of intermediate porosity interconnected Ti foams using micro-computed tomography and direct finite element modeling. Acta Biomaterialia. 2010;6(6):2342–2351. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.11.032.
  10. Michailidis N, Stergioudi F, Omar H, Papadopoulos D, Tsipas DN. Experimental and FEM analysis of the material response of porous metals imposed to mechanical loading. Colloids and Surfaces A. Physicochemical and Engineering Aspects. 2011;382(1–3):124–131. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2010.12.017.
  11. Michailidis N, Stergioudi F, Omar H, Tsipas DN. Investigation of the mechanical behavior of open-cell Ni foams by experimental and FEM procedures. Advanced Engineering Materials. 2008;10(12):1122–1126. DOI: 10.1002/adem.200800152.
  12. Zhukovets II. Mekhanicheskie ispytaniya metallov [Mechanical testing of metals]. 2nd edition, revised and expanded. Moscow: Vysshaya shkola; 1986. 199 p. (Proftekhobrazovanie). Russian.
  13. Nikitin AV, Shilko SV. Improvement of functional characteristics of endoprostheses. In: Theoretical and applied mechanics. Issue 28. Minsk: Belarusian National Technical University; 2013. р. 127–129. Russian.
Опубликован
2020-07-30
Ключевые слова: конечно-элементный анализ, остеоинтеграция, компьютерная томография, пористая структура
Как цитировать
Никитин, А. В. (2020). Определение механических характеристик биокомпозита кость – титан на основании данных компьютерной томографии и конечно-элементного моделирования. Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика, 2, 79-85. https://doi.org/10.33581/2520-6508-2020-2-79-85
Выпуск
№ 2 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика
Раздел
Теоретическая и прикладная механика

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).