DOI: https://doi.org/10.20998/2079-0775.2019.2.06

ЧИСЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ НОГИ ЛЮДИНИ ПІСЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ЛІКУВАННЯ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ БІОСКЛА

Mykola Tkachuk, Oleg Veretelnyk, Vasilу Shimon, Sergey Alfeldiy, Ivan Pushkash

Анотація


У роботі пропонуються результати чисельного дослідження впливу на напружено-деформований стан елементів ноги людини здійснення оперативного лікування, заміни пошкоджених остеомієлітом тканин имплантатами, виготовленних з біоскла. Математична модель здійснених досліджень застосовує основні співвідношення механіки суцільного середовища у зв'язці з чисельними методами, зокрема, методом скінченних елементів. В ході дослідження розглядалися три розрахункові групи, відмінності яких полягали у розмірах имплантату з біоскла, кожна група, в свою чергу, складалася з чотирьох розрахункових схем, дві з яких описували «інтактний» стан та «пошкоджений», інші дві розрахункові схеми описували ногу людини після оперативного лікування з установки ымплантатів. виготовлених з різних типів біоскла – AC-5 та FAR-5, відповідно. За підсумками досліджень були отримані характеристики напружено-деформованого стану та здійснено порівняльний аналіз.


Ключові слова


напружено-деформований стан; нога людини; остеомієліт; біоскло; метод скінченних елементів; еквівалентні напруження

Повний текст:

PDF

Посилання


N. A. P. van Gestel, J. Geurts, D. J. W. Hulsen, B. van Rietbergen, S. Hofmann, and J. J. Arts. Clinical Applications of S53P4 Bioactive Glass in Bone Healing and Osteomyelitic Treatment: A Literature Review. Hindawi Publishing Corporation BioMed Research International, vol. 2015, article ID 684826, 12 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/684826

Ferrando A., Part Jo., Baeza Jo. Treatment of Cavitary Bone Defects in Chronic Osteomyelitis: Bioactive glass S53P4 vs. Calcium Sulphate Antibiotic Beads. J. Bone Joint Infect. 2017, vol. 2(4), рр. 194-201. doi: 10.7150/jbji.20404.

Larry L. Hench and Julia M. Polak Third-Generation Biomedical Materials. Science. 2002, vol. 295(5557), рр. 1014–1017. doi: 10.1126/science.1067404.

Geurts J., Vranken T., Gabriels F., Arts J.J., Moh P. Contemporary treatment of chronic osteomyelitis: implementation in low- and middle-income countries. Geurts J et al. SA Orthop J. 2018, vol. 17(2), рр. 40-43. doi: 10.17159/2309-8309/2018/v17n2a7.

Karasu B., Yanar A. Ozan, Koçak A., Kisacik Ö. Bioactive Glasses. El-Cezerî Journal of Science and Engineering. 2017, vol. 4, no. 3, рр. 436–471.

L. Drago, M. Toscano, M. Bottagisio Recent Evidence on Bioactive Glass Antimicrobial and Antibiofilm Activity: A Mini-Review. Materials. 2018, no. 11, рр. 326; doi:10.3390/ma11020326

https://www.researchgate.net/publication/221909127_Finite_Element_Analysis_in_Orthopaedic_Biomechanics

Wei Xiao, Mohsen Asle Zaeem, Delbert E. Day, Mohamed N. Rahaman. Finite Element Modeling of the Flexural Mechanical Response of Polymer-Coated Bioactive Glass Scaffolds Composed of Thermally-Bonded Unidirectional Fibers. Biomed. Glasses. 2017, no. 3, рр. 86-95. doi: https://doi.org/10.1515/bglass-2017-0008

Xin Liu, Mohamed N. Rahaman, Gregory E. Hilmas, B. Sonny Bal. Mechanical properties of bioactive glass (13-93) scaffolds fabricated by robotic deposition for structural bone repair. Acta Biomater. 2013, no. 9(6), 24 p. doi:10.1016/j.actbio.2013.02.026.

Spears, I. R., M. Pfleiderer, et al. (2001). The effect of interfacial parameters on cup-bone relative micromotions. A finite element investigation. J Biomech, 34(1): 113-20.

Thompson, M. S., M. D. Northmore-Ball, et al. (2002). Effects of acetabular resurfacing component material and fixation on the strain distribution in the pelvis. Proc Inst Mech Eng [H] 216(4): 237-45.

Kaku, N., H. Tsumura, et al. (2004). Biomechanical study of load transfer of the pubic ramus due to pelvic inclination after hip joint surgery using a three-dimensional finite element model. J Orthop Sci 9(3): 264-9.

Oki, H., M. Ando, et al. (2004). Relation between vertical orientation and stability of acetabular component in the dysplastic hip simulated by nonlinear threedimensional finite element method. Artif Organs. 28(11): 1050-4.

Manley, M. T., K. L. Ong, et al. (2006). The potential for bone loss in acetabular structures following THA. Clin Orthop Relat Res. 453: 246-53.

Guan Y, Yoganandan N, Zhang J, Pintar FA, Cusick JF, Wolfla CE, Maiman DJ. Validation of a clinical finite element model of the human lumbosacral spine. Med Biol Eng Comput. 2006; 44: 633–641.

Little JP, Adam CJ, Evans JH, Pettet GJ, Pearcy MJ. Nonlinear finite element analysis of anular lesions in the L4/5 intervertebral disc. J Biomech. 2007; 40: 2744–2751.

Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. Amsterdam; Heidelberg: Butterworth-Heinemann. 2006. 631 p.

Obraztsov I.F., Savelev L.M., Hazanov H.S., Metod konechnyih elementov v zadachah stroitelnoy mehaniki letatelnyih apparatov: Ucheb. posobie dlya studentov iviats. spets. vuzov. Moscow: Vyissh. shk., 1985. 392 p.

Zienkiewicz, O. C. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals [Text] / O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, J. Z. Zhu. – 7th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. 756 p.

Segerlind L. Primenenie metoda konechnyih ele-mentov. Moscow: Mir, 1979. 388 p.

Morozov E.M. Nikishkov G.P. Metod konechnyih elementov v mehanike razrusheniya. Moscow.: Nauka, 1980. 256 p.

Vasidzu K. Variatsionnyie metodyi v teorii up-rugosti i plastichnosti. Moscow: Mir, 1987. 542 p.

Belytschko, T., Liu, W. K. and Moran, B. Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures - J. Wiley & Sons, New York, 2000, 600 p.

Timoshenko S.P., Guder Dzh. Teoriya uprugosti. Moscow: Nauka, 1979. 560 p.

Solidwork. http://www.solidworks.com/.

Workbench. http://www.ansys.com/.

Boyko I.V., Sabsay A.V., Makarov V.B., Ra-dzhabov O.V. Matematicheskoe modelirovanie napryazhen-no-deformirovannogo sostoyaniya sistemyi «kost-implantat» pri mezhvertelnom perelome bedren-noy kosti / VIsnik SevNTU: zb. nauk. pr. Vip. 133/2012. SerIya: MehanIka, energetika, ekologIya. Sevastopol, 2012. P. 355-360.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


1.   N. A. P. van Gestel, J. Geurts, D. J. W. Hulsen, B. van Rietbergen, S. Hofmann, and J. J. Arts. Clinical Applications of S53P4 Bioactive Glass in Bone Healing and Osteomyelitic Treatment: A Literature Review. Hindawi Publishing Corporation BioMed Research International, vol. 2015, article ID 684826, 12 p. http://dx.doi.org/10.1155/2015/684826

2.  Ferrando A., Part Jo., Baeza Jo. Treatment of Cavitary Bone Defects in Chronic Osteomyelitis: Bioactive glass S53P4 vs. Calcium Sulphate Antibiotic Beads. J. Bone Joint Infect. 2017, vol. 2(4), рр. 194-201. doi: 10.7150/jbji.20404.

3.  Larry L. Hench and Julia M. Polak Third-Generation Biomedical Materials. Science. 2002, vol. 295(5557), рр. 1014–1017. doi: 10.1126/science.1067404.

4.  Geurts J., Vranken T., Gabriels F., Arts J.J., Moh P. Contemporary treatment of chronic osteomyelitis: implementation in low- and middle-income countries. Geurts J et al. SA Orthop J. 2018, vol. 17(2), рр. 40-43. doi: 10.17159/2309-8309/2018/v17n2a7.

5.  Karasu B., Yanar A. Ozan, Koçak A., Kisacik Ö. Bioactive Glasses. El-Cezerî Journal of Science and Engineering. 2017, vol. 4, no. 3, рр. 436–471.

6.  L. Drago, M. Toscano, M. Bottagisio Recent Evidence on Bioactive Glass Antimicrobial and Antibiofilm Activity: A Mini-Review. Materials. 2018, no. 11, рр. 326; doi:10.3390/ma11020326

7.   https://www.researchgate.net/publication/221909127_Finite_ Element_ Analysis_in_Orthopaedic_Biomechanics

8.  Wei Xiao, Mohsen Asle Zaeem, Delbert E. Day, Mohamed N. Rahaman. Finite Element Modeling of the Flexural Mechanical Response of Polymer-Coated Bioactive Glass Scaffolds Composed of Thermally-Bonded Unidirectional Fibers. Biomed. Glasses. 2017, no. 3, рр. 86-95. doi: https://doi.org/10.1515/bglass-2017-0008

9.   Xin Liu, Mohamed N. Rahaman, Gregory E. Hilmas, B. Sonny Bal. Mechanical properties of bioactive glass (13-93) scaffolds fabricated by robotic deposition for structural bone repair. Acta Biomater. 2013, no. 9(6), 24 p. doi:10.1016/j.actbio.2013.02.026.

10. Spears I. R., M. Pfleiderer, et al. (2001). The effect of interfacial parameters on cup-bone relative micromotions. A finite element investigation. J Biomec . 34(1): 113-20.

11. Thompson M. S., Northmore-Ball M. D., et al. (). Effects of acetabular resurfacing component material and fixation on the strain distribution in the pelvis. Proc Inst Mech Eng [H]. 2002, no. 216(4), рр. 237-45.

12. Kaku N., H. Tsumura, et al. (2004). Biomechanical study of load transfer of the pubic ramus due to pelvic inclination after hip joint surgery using a three-dimensional finite element model. J Orthop Sci .9(3): 264-9.

13. Oki, H., M. Ando, et al. (2004). Relation between vertical orientation and stability of acetabular component in the dysplastic hip simulated by nonlinear threedimensional finite element method. Artif Organs. 28(11): 1050-4.

14. Manley, M. T., K. L. Ong, et al. (2006). The potential for bone loss in acetabular structures following THA. Clin Orthop Relat Res. 453: 246-53.

15. Guan Y, Yoganandan N, Zhang J, Pintar FA, Cusick JF, Wolfla CE, Maiman DJ. Validation of a clinical finite element model of the human lumbosacral spine. Med Biol Eng Comput. 2006; 44: 633–641.

16. Little JP, Adam CJ, Evans JH, Pettet GJ, Pearcy MJ. Nonlinear finite element analysis of anular lesions in the L4/5 intervertebral disc. J Biomech. 2007; 40:2744–2751.

17. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals.  Amsterdam; Heidelberg: Butterworth-Heinemann.  2006.  631 p.

18. Образцов И.Ф., Савельев Л.М., Хазанов Х.С., Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов: Учеб. пособие для студентов авиац. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985. 392 с.

19. Zienkiewicz, O. C. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals [Text] / O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor, J. Z. Zhu. – 7th ed.  Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013.  756 p.

20. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов.  М.: Мир, 1979, 388 с.

21. Морозов Е.М. Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980.–256 с.

22. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности.  М: Мир, 1987. 542 с.

23. Belytschko, T., Liu, W. K. and Moran, B. Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures - J. Wiley & Sons, New York, 2000, 600 p.

24. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979.  560 с.

25. Solidworks - http://www.solidworks.com/

26.  Workbench - http://www.ansys.com/.

27. Бойко И.В., Сабсай А.В., Макаров В.Б., Раджабов О.В.  Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы «кость-имплантат» при межвертельном переломе бедренной кости / Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. Севастополь, 2012.  с. 355-360.





ISSN 2079-0775. Вісник Національного Технічного Університету «ХПІ».