Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса 11
1.1. Анатомические особенности и биомеханические характеристики тазобедренного сустава 11
1.2. Физико-механические и деформационные характеристики костных структур 20
1.3. Конструктивные особенности и требования, предъявляемые к эндопротезам тазобедренного сустава 22
1.4. Характеристики материалов, применяемых в конструкциях высоконагруженных имплантатов 28
1.5. Титани сплавы на его основе как приоритетный материал для компонентов эндопротезов 41
1.6. Возможности улучшения эксплуатационных характеристик эндопротезов из титановых сплавов при применении новых технологий их обработки 53
1.7. Заключение по литературному обзору и постановка задачи исследования 73
Глава II. Объекты и методы исследования 75
2.1. Объекты исследования 75
2.2. Методы исследования 77
Глава III. Обоснование требований к структуре и механическим свойствам материалов ножек бедренных компонентов эндопротезов 84
3.1 Особенности конструкций бедренных компонентов эндопротезов бесцементной фиксации 84
3.2. Выбор и экспериментальное определение физико-механических параметров системы «имплантат-кость» 92
3.3. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния биомеханической системы «бедренная кость - ножка эндопротеза бесцементной фиксации» 96
3.3.1. Биомеханика бедренного компонента бесцементной фиксации эндопротеза «Имплант-Элит Про» 101
3.3.2. Биомеханика бедренного компонента бесцементной фиксации эндопротеза «Ильза» 114
Требования к механическим свойствам и параметрам конструкции ножек эндопротезов 124
Исследование объемной структуры и механических свойств заготовок ножек бедренных компонентов эндопротезов из сплава ВТ20, полученных по различным технологиям 130
Структура и свойства литых фасонных заготовок из сплава ВТ20 131
Структура и свойства заготовок из сплава ВТ20, полученных из катаных плит 140
Влияние режимов термической обработки на объемную структуру и механические свойства литых и деформированных заготовок из сплава ВТ20 144
4.3.1. Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства фасонных отливок из сплава ВТ20 144
4.3.2. Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства деформированных заготовок из сплава ВТ20 146
Исследование взаимодействия титанового сплава ВТ20 с водородом 153
Разработка режимов термоводородной обработки для преобразования структуры фасонных отливок из сплава ВТ20 169
Анализ влияния микроструктуры на механические свойства титанового сплава ВТ20 и оптимизация технологий обработки литых и деформированных заготовок ножек бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава 172
Глава V. Исследование влияния структуры поверхности заготовок из сплава ВТ20 после различных технологических операций обработки на комплекс эксплуатационных свойств ножек эндопротезов 179
5.1. Исследование микрогеометрии и структуры поверхности заготовок из сплава ВТ20 после механической обработки и их влияния на механические свойства 180
5.2. Исследование структуры и свойств заготовок из сплава ВТ20 с нанесенным пористым покрытием 189
5.3. Исследование структуры и свойств заготовок из сплава ВТ20 с различной микрогеометрией поверхности, подвергнутых вакуумному ионно-пл азменному азотированию 200
5.4. Разработка рекомендаций по построению технологических процессов производства ножек бедренных компонентов эндопротезов «Имплант-Элит-Про» и «Ильза» 208
Выводы по работе 213
Список литературы 215
Приложение 230
- Конструктивные особенности и требования, предъявляемые к эндопротезам тазобедренного сустава
- Выбор и экспериментальное определение физико-механических параметров системы «имплантат-кость»
- Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства деформированных заготовок из сплава ВТ20
- Исследование структуры и свойств заготовок из сплава ВТ20 с нанесенным пористым покрытием
Введение к работе
По данным Всемирной организации здравоохранения дегенеративно-дистрофическими заболеваниями суставов страдают около 5% населения земного шара. Среди хирургических методов лечения двусторонних анкилозов и тяжелых форм деформирующего коксартроза, опухолей суставных концов костей и последствий травм эндопротезированию принадлежит ведущая роль. Ежегодно в мире осуществляется около 1,4-1,5 млн. замещений суставов эндопротезами.
С расширением этого вида хирургических операций наблюдается рост абсолютного числа повторных операций по причине расшатывания или разрушения эндопротезов. Изучение причин нестабильности позволяет создавать новые эндопротезы суставов и разрабатывать новые способы их фиксации.
Создание искусственных суставов, жизнеспособных в течение нескольких десятилетий, является актуальнейшей проблемой для биомехаников, ортопедов, материаловедов и фирм-производителей. Проблема выходит за рамки национальных границ государств, а решение ее может, несомненно, считаться общечеловеческим достоянием.
Самой популярной и наиболее признанной концепцией эндопротезирования тазобедренного сустава в конце XX века стала теория низкофрикционной артропластики проф. Джона Чанли. В результате операции по Чанли хирургу удается прочно закрепить в костной ткани эндопротез, который за счет малого диаметра головки и низкого коэффициента трения в узле подвижности обеспечивает крутящий момент, сопоставимый по величине с крутящим моментом в здоровом суставе. Практические результаты свидетельствуют о том, что эндопротезы Charnley способны работать в организме человека 25 лет и более при бережном отношении к ним. Было, однако, установлено, что у активных пациентов эндопротезы проседают и выходят из строя в более ранние сроки за счет изнашивания трущихся поверхностей. Разрушение эндопротезов, как правило,
сопровождается асептическим воспалением и требует ревизионного хирургического вмешательства.
Ограниченные показания к применению эндопротезов у молодых пациентов заставляет искать пути улучшения их качества за счет применения новых материалов и технологий, а также способов фиксации их в организме.
В начале 80-х годов стало ясно, что наша страна отстает от западных стран в области эндопротезостроения суставов. ГКНТ СССР признал эндопротезирование суставов важнейшей научной проблемой. Она была включена в общесоюзную научно-техническую программу 0.69.11 "Разработать и внедрить в практику искусственные органы и ткани, а также методы и средства стимуляции органов и тканей" и утверждена постановлением ГКНТ СССР от 30 сентября 1985 года за N555. Однако в силу известных исторических событий, а также в силу субъективных причин отечественные наработки были отодвинуты в сторону. Тем самым был очищен путь проникновения на российский рынок отживших уже свой век импортных конструкций, некоторые из которых стали прототипами целой плеяды порочных отечественных конструкций.
Совокупность всех исторических обстоятельств привела к тому, что в нашей стране нет никакой общепринятой концепции эндопротезостроения, отсутствует система сертификации продукции и наши клинические учреждения, по-прежнему, являются полигоном для испытания идейно и технических отсталых конструкций. Актуальность разработки проблемы эндопротезирования суставов во всех её проявлениях не вызывает сомнения.
Ее эффективное решение возможно только при комплексном научно-обоснованном подходе к выбору материалов, разработке технологий их обработки и производства изделий, систем испытаний и контроля качества, технике хирургических операций и другим тесно связанным между собой проблемам.
В настоящее время одним из металлических материалов, применяемых для имплантации, является титан и его сплавы. При безусловном выполнении
7 требований биологической совместимости (сочетания коррозионной стойкости в агрессивных жидкостях организма и биологической безопасности) титан и его сплавы в качестве материала для силовых элементов имплантируемых конструкций, в частности эндопротезов, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными материалами - нержавеющими сталями и кобальт-хром-молибденовыми сплавами: меньший удельный вес и модуль упругости, более высокую удельную прочность, способность к остеоинтеграции и др. Однако специфические недостатки титановых сплавов, проявляющиеся при попытках использования их в некоторых элементах эндопротезов, например, узлах трения искусственных суставов, заставляют большинство фирм-производителей отказываться от применения титана в этих элементах конструкций. Это в свою очередь приводит к снижению многих показателей качества эндопротезирования и повышению стоимости изделий. К сожалению, такие недостатки титановых сплавов, как низкие триботехнические свойства, неудовлетворительная технологичность при механической обработке большинством разработчиков считаются физически присущими титану и сплавам на его основе. Хотя к настоящему времени становится совершенно очевидно, что традиционные подходы к выбору металлических материалов для высоконагруженных компонентов эндопротезов могут и должны быть существенно скорректированы с учетом возможностей кардинального изменения их свойств при использовании новых наукоемких технологий обработки. К таким технологиям прежде всего можно отнести термоводородную обработку титановых сплавов, а также вакуумную ионно-плазменную технологию модифицирования поверхности.
Для эффективного применения этих технологий необходимо поставить и решить ряд научных и практических задач: выбор материалов и видов их полуфабрикатов для производства деталей эндопротезов; исследовать совместное влияние разных технологических способов воздействия на структурное состояние материалов и их эксплуатационные свойства; разработать конкретные
8 технологические схемы и режимы изготовления и обработки компонентов эндопротезов, обеспечивающие оптимальный комплекс их физико-механических, биохимических, триботехнических и других эксплуатационных свойств с учетом характера и интенсивности их взаимодействия с другими компонентами системы; модификация поверхностей эндопротезов, соприкасающихся с костными структурами; создание новых и улучшение имеющихся конструкций.
Необходимость решения этих задач с целью развития отечественного производства высококачественных имплантируемых изделий определяет актуальность темы настоящей работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлены закономерности формирования фазового состава и структуры литого титанового сплава ВТ20 в процессе наводороживающего отжига при температурах а- и а+Р-областей. Показано, что введение водорода в образцы из сплава ВТ20 при температурах ос+Р-области до концентраций 0,4 - 0,8% по массе приводит к образованию а2-фазы вследствие обогащения ос-фазы алюминием и развития в ее микрообъемах процессов упорядочения. Построена температурно-концентрационная диаграмма фазового состава сплава ВТ20, формирующегося при температурно-кинетических условиях наводороживающего отжига, как первого этапа термоводородной обработки фасонных отливок.
Показано, что фасонные отливки псевдо-а сплава ВТ20 могут быть использованы в качестве заготовок ножек эндопротезов тазобедренного сустава только в случае применения термоводородной обработки, обеспечивающей достижение установленных стандартом требований к структуре и механическим, в том числе усталостным, свойствам изделий.
Установлено, что пескоструйная обработка, обеспечивающая необходимую для остеоинтеграции микрогеометрию поверхностей, может применяться в качестве финишной операции технологического процесса изготовления ножек бедренных компонентов эндопротезов, т.к. негативное
9 влияние поверхностных концентраторов напряжений на сопротивление усталости практически полностью компенсируется формирующимися макронапряжениями сжимающего характера.
4. Показано, что формирование слоистой композиционной структуры с пористым поверхностным слоем, необходимым для остеоинтеграции губчатой кости, допустимо только на массивных проксимальных частях ножек, поскольку используемая для формирования такой структуры термоводородная обработка снижает сопротивление усталости основы вследствие устранения наклепа и сжимающих макронапряжений на шероховатой поверхности основы, возникающих в результате пескоструйной обработки заготовки перед нанесением пористого покрытия.
Практическая значимость работы:
На основе математического компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния и биомеханического поведения системы «ножка бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава - бедренная кость» при функциональных нагрузках обоснованы требования к физико-механическим свойствам и микрогеометрии поверхности изделий с различным видом фиксации имплантата в бедренной кости.
Разработаны режимы термической обработки заготовок ножек бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава из горячекатаных плит и режимы термоводородной обработки литых фасонных заготовок из титанового сплава ВТ20. Разработанные режимы обеспечивают формирование в изделиях регламентированной структуры, удовлетворяющей требованиям международного стандарта, и высокий комплекс механических свойств, в частности предел вьшосливосга 420 - 470 МПа в зависимости от микрогеометрии поверхности.
3. Разработаны технологические рекомендации, позволяющие реализовать научно
обоснованную последовательность проведения технологических операций изготовления и
обработки ножек эндопротезов, которая обеспечивает необходимую для остеоинтеграции
микрогеометрию поверхностей, высокие износостойкость и сопротивление циклическим
10 функциональным нагрузкам. Рекомендации внедрены в серийное производство ножек эндопротезов <<ИМПЛАНТ-ЭЛИТ Про» и «ИЛЬЗА» ЗАО «Имплант МТ» и обеспечивают не менее, чем 2-хкратный запас надежности изделий.
Конструктивные особенности и требования, предъявляемые к эндопротезам тазобедренного сустава
Тяжелые формы патологии суставов различной этиологии представляют серьезную социальную проблему. Восстановление утраченной функции в суставах является одной из актуальнейших задач травматологов-ортопедов. В ушедшем веке было много попыток ее решения и появилась достаточно стройная концепция в лечении болезней суставов. В начальных стадиях можно рассчитывать на эффект от консервативного лечения, но период благополучия при этом определить невозможно, болезнь, как правило, прогрессирует, приводя к деформации сустава, нарастанию болевого синдрома и нарушению статико-динамической функции, поэтому основным способом лечения больных с дегенеративно-дистрофическими поражениями суставов является оперативный. С конца 50-х годов прошлого века в хирургическую практику ортопедов уверенно внедряется эндопротезирование -замещение разрушенного болезнью сустава искусственным имплантатом. Отрадно отметить, что пионером в этом направлении был наш соотечественник К. М. Сиваш (1959) [5]. Лишь через 2 года появилась работа английского хирурга Charnley «New operation». В последние десять лет отмечается повышенный интерес хирургов-ортопедов к эндопротезированию, которое применяется при лечении целого ряда заболеваний суставов и показания к нему расширяются.
В настоящее время количество операций эндопротезирования тазобедренного сустава в мире достигает 1,4 - 1,5 млн. в год [4]. В России эта цифра составляет около 12000. Если к 1992 году в Российской Федерации было выполнено всего 3200 операций по замене суставов (главным образом тазобедренного), то спустя семь лет их произведено около 6000, хотя потребность определяется более 300000 и будет возрастать.
Определение показаний к операции включает и выбор оптимального эндопротеза. Существующие в клинической практике эндопротезы по своим техническим характеристикам должны отвечать определенным международным требованиям, установленным системой стандартов ISO 7206; ГОСТР ИСО 14630 [2, б]: - конструкция эндопротеза должна обеспечивать возможность его установки без значительной травматизации тканей и с сохранением анатомического прикрепления мышц; - конструкция должна быть разборной для раздельной замены компонентов эндопротеза; - комплект эндопротезов должен состоять из оптимального количества типоразмеров, удовлетворяющих антропометрическим данным пациентов; - элементы узла подвижности должны обладать низкими трибологическими характеристиками на уровне здорового сустава; - нагрузка на кость должна распределяться по возможности равномерно, за счет геометрии бедренного компонента; - материалы, из которых изготавливаются компоненты эндопротеза, должны быть коррозийностойкими, биологически безопасными и механически совместимыми с организмом и обладать высокой усталостной прочностью; - эндопротез должен стерилизоваться обычными доступными методами. Одним из наиболее широко разрабатываемых направлений является создание конструкций со структурированной поверхностью, обеспечивающей остеоинтеграцию [9-11]. В настоящее время многообещающим является гидроксиапатитное покрытие, перспективность которого доказана многими авторами [8]. Разрабатываются конструкции полых ножек в расчете на уменьшение их жёсткости и быстрое заполнение пустот спонгиозной тканью [12, 13]. Ю. А. Безгодков [14] проведя комплексные теоретические и экспериментальные исследования медико-технических особенностей различных видов эндопротезов тазобедренного сустава с позиций ортопедической биомеханики с использованием современных методов компьютерного моделирования и тензометрических испытаний, пришел к выводу, что для минимизации осложнений асептического расшатывания и миграции эндопротеза, а также переломов костной ткани вокруг него целесообразно руководствоваться следующими правилами: - ножка эндопротеза с метафизарным видом фиксации обеспечивает наименьшие изменения напряженно-деформированного состояния бедренной кости и больший срок функционирования по сравнению с бедренным компонентом диафизарного вида фиксации; - применение костного цемента существенно не влияет на напряженно-деформированное состояние бедренной кости; - если толщина слоя костного цемента, используемого для фиксации бедренного компонента, превышает 4 мм, напряжения и деформации в нем резко возрастают, что может привести к его разрушению, потере стабильности и к началу реакции организма на продукты износа цемента; - для обеспечения стабильности первичной фиксации ножки эндопротеза возможно использование устройств, компенсирующих биомеханический дисбаланс в костной ткани; - использование головок тотального эндопротеза диаметром 28 и 32 мм создает меньшие напряжения в системе «головка-чашка», чем головок диаметром 22 мм; - при эндопротезировании без цемента вертлужные компоненты с "Press-Fit" видом фиксации обеспечивают больший срок функционирования по сравнению с чашками с жестким резьбовым видом фиксации.
Выбор и экспериментальное определение физико-механических параметров системы «имплантат-кость»
В объемноцентрированной решетке / -модификации титана пустоты решетки с радиусом 0,44 А почти точно соответствуют атомному радиусу водорода (0,41 А) и повышения свободной энергии, обусловленного свободой колебаний атомов в междоузлиях, не происходит. Поэтому водород хорошо растворяется в /?-фазе, стабилизируя ее. Важно подчеркнуть, что поглощение водорода титаном сопровождается увеличением объема металла из-за меньшей плотности гидрида титана (ТіН2) по сравнению с плотностью титана.
До середины 70-х годов водород рассматривался как вредная примесь, которая является причиной водородной хрупкости материала [84]. Однако уже в те годы в ряде работ рассматривалась возможность использования водорода как временного легирующего элемента [85]. В работе [86] Гольцов В.А. показал возможность изменения структуры и повышения механических свойств некоторых гидридообразующих металлов и сплавов с помощью водорода. Данный эффект достигается за счет водородофазового наклепа (ВФН), вызванного индуцированным водородом фазовым (гидридным) превращением [86, 87]. Он сформулировал новую парадигму материаловедения [88], согласно которой водород должен рассматриваться не только как вредная примесь, но и как полезный легирующий элемент, контролируемое и обратимое введение которого в металл позволяет формировать структуру и повышать комплекс физико-механических свойств, достичь которых традиционными видами термической обработки невозможно. Водород - единственный элемент, который достаточно легко и в больших количествах поглощается материалами на основе гидридообразующих элементов и так же легко удаляется из твердого раствора при термической обработке в вакууме [88]. Это позволяет использовать его в качестве временного легирующего элемента в металлических материалах на определенной стадии производства полуфабрикатов и изделий, в частности из титановых сплавов [89]. При этом без изменения агрегатного состояния материала осуществляется не только прямое легирование, но и делегирование временным легирующим компонентом - водородом. Иными словами, реализуется явление обратимого легирования водородом [90]. Уникальная возможность обратимого легирования водородом предоставляет еще один фактор воздействия на фазовый состав и структуру сплава, наряду с температурой и давлением появляется возможность управлять химическим составом сплава на различных этапах обработки [91].
Температурно-концентрационные диаграммы фазового состава титановых сплавов ВТ6 и ВТ20 приведены на рисунке 1.9. В работе [92] вводится понятие о новом виде обработки, позволяющей получать регламентированную структуру и управлять комплексом физико-механических свойств - термоводородной обработки (ТВО) и сформулированы ее научные основы. ТВО представляет собой вид обработки, сочетающей термическое воздействие на материал, с обратимым легированием водородом. Технологическая схема ТВО включает в себя три основных элемента: насыщение водородом; термическое воздействие на материал, легированный водородом; обезводороживание в вакууме. Возможность управления структурой, как показано в работах [93-97] реализуется в основном на втором этапе ТВО и в зависимости от исходного фазового состава и структуры обрабатываемого материала может основываться как на водородофазовом наклепе (ВФН), так и на управлении механизмом зарождения и роста частиц при распаде водородосодержащей Р-фазы, путем рационального подбора концентрации и температурно-скоростных условий при термическом воздействии, контролируемый процесс дегазации при вакуумном отжиге должен обеспечить сохранение полученной на втором этапе ТВО морфологии структурных составляющих, а в отдельных случаях может и самостоятельно обеспечивать необходимое улучшение структуры титановых сплавов.
В основе понимания процессов, происходящих при термоводородной обработке, лежат исследования влияния водорода на фазовый состав и структуру титановых сплавов.
При анализе механизма и кинетики фазовых превращений в титановых сплавах необходимо учитывать особенности взаимодействия водорода с отдельными фазами, вытекающие из возможности легировать водородом металлическую матрицу без перевода ее в жидкое состояние [98]. Эти особенности заключаются в следующем. Во-первых, диффузионная подвижность атомов водорода на несколько порядков выше, чем атомов металлической подрешетки [95, 106]. Во-вторых, водород повышает стабильность Р-фазы по отношению к а-фазе, а соответственно и по отношению к мартенситным а и а"-фазам, без изменения степени их легирования основными компонентами [92]. В-третьих, увеличение содержания водорода в (5-фазе повышает ее термодинамическую стабильность до определенных концентраций. При больших концентрациях водорода стабильность Р-фазы по отношению к у-фазе снижается [99] и возможно выделение гидрида как в результате превращения, так и эвтектоидного распада водородосодержащей (5-фазы (Р аэ+у). В-четвертых, водород может быть удален из металлической матрицы при относительно невысоких температурах при обработке в вакууме [100]. Это позволяет выделить новый вид фазовых превращений - фазовые превращения, протекающие при непрерывном изменении концентрации легирующего компонента, в частности водорода [101, 102].
Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства деформированных заготовок из сплава ВТ20
Конструкция ножки бесцементной фиксации должна обеспечивать с одной стороны максимальную первичную стабильность и с другой - быструю остеоинтеграцию, а также оптимальное распределение нагрузки на проксимальный отдел бедренной кости. Применение «анатомических» ножек имплантатов, приближенных по форме к анатомии бедра, обеспечивает максимальный контакт между имплантатом и костью на всем его протяжении. Однако форма бедренной кости индивидуальна, поэтому полного контакта имплантата с костью достичь практически не удается. К тому же установка этого имплантата технически сложна, требует индивидуального инструмента, совершенного планирования операции, а производство его требует индивидуальной технологии. В клинической практике эти имплантаты не нашли широкого применения.
Тем не менее, при имплантации бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава бесцементной фиксации обязательно учитывается форма проксимального отдела бедренной кости и состояние костных тканей. На основании накопленного опыта определены требования к ножкам эндопротезов бесцементной фиксации [132,133]: -высокая первичная стабильность, включающая значительную ротационную устойчивость; -максимально полный контакт с окружающей костью; -оптимальный материал и технология его обработки, обеспечивающие остеоинтеграцию; -оптимальная жесткость ножки для снижения стрессовых зон при передаче нагрузки и минимизации костного ремоделирования; -высокое сопротивление усталости и износостойкость; -техническая простота в установке имплантата при минимальном наборе инструментов. Проектирование конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, выбор их материалов, технологий производства, способов установки является исключительно сложной, многофакторной задачей. Для ее успешного решения необходимо ясное представление о том, что эндопротезостроение - это не только создание качественного, надежного имплантата, способного сохранять свои функциональные свойства на протяжении длительного периода времени. Это, по существу, создание новой биомеханической и биохимической системы, компонентами которой являются как сам имплантат, так и взаимодействующие с ним живые структуры организма (костные, связочные, мышечные). Само показание к эндопротезированию означает нарушение естественной биомеханики тазобедренного сустава, происходящее вследствие его травмирования или патологического изменения структуры и свойств тканей. Введение же в систему имплантата из «неживого» материала с резко отличающимися физико-механическими свойствами еще более изменяет механические и биохимические условия ее функционирования. Восстановление опорно-двигательных функций организма в значительной степени определяется возможностью, полнотой и продолжительностью адаптации сохраненных костных структур к новым условиям функционирования в системе «эндопротез - костные структуры - другие структуры организма (мышечные, связочные, питающие и т.д.)». Это в свою очередь зависит от уровня и распределения механических напряжений, генерируемых в костных структурах в результате их взаимодействия с компонентами эндопротеза как в реабилитационный период, так и при нормальных функциональных нагрузках. Очевидно, что успех эндопротезирования во многом обусловлен геометрическими, физико-механическими, биохимическими параметрами имплантируемой конструкции. Ее физико-механические и биохимические свойства определяются выбором материалов и технологией производства. Форма и геометрические параметры эндопротеза определяют механическое поведение системы и в то же время оказывают существенное влияние на биологические процессы в костных структурах. Очевидно, что именно комплекс свойств эндопротеза должен обеспечивать длительную работоспособность как каждого компонента новой системы, так и всей системы в целом. Иными словами конструкция эндопротеза должна удовлетворять принципу механической совместимости.
Все многообразие существующих конструкций бедренных компонентов бесцементной фиксации может быть разделено на две основные группы по способу передачи нагрузки от имплантата к костным структурам при реализации основной функции тазобедренного сустава - прямохождении и поддержании тела в вертикальном положении (рис. З.1.). Для простоты сравнения направление действия нагрузки показано совпадающим с продольной осью ножки бедренного компонента эндопротеза. Как видно из схемы, в конструкциях первого типа нагрузка передается за счет клиновидной или конусной посадки ножки в костномозговой канал. В этом случае продольная нагрузка вызывает формирование в костных структурах сложного напряженно-деформированного состояния с осевой (o"z), радиальной (cR) и тангенциальной (at) составляющими напряжений и соответствующими деформациями.
Соотношение этих составляющих напряжений зависит от углов клина или конуса, а их величина - от уровня нагрузки, свойств (модулей упругости) компонентов системы и их граничного взаимодействия (коэффициентов трения). Учитывая существенную разницу модулей упругости металлической ножки (Е= 100-140 ГПа для титана и его сплавов), кортикальной кости (Е= 10-20 ГПа в зависимости от направления) и спонгиозной кости (Е=0,5-2 ГПа в зависимости от строения и состояния), при такой схеме передачи нагрузки (циклической при ходьбе) неизбежно циклическое осевое смещение ножки в костномозговом канале. Величина этого смещения зависит от коэффициента трения пары металл-кость и определяет работу фрикционных сил. Клиновидная форма ножки обеспечивает передачу нагрузки от имплантата в основном в дистальной части кости. Геометрические параметры ножки определяются размером и формой бедренной кости и костномозгового канала, однако при проектировании типоразмерного ряда и выборе признаков подобия необходимо учитывать уровень и направление напряжений, возникающих как в самой ножке, так и в окружающих ее компонентах. В частности, напряжения и деформации в костных структурах должны быть сопоставимы с их естественным уровнем и распределением во избежание лизиса от чрезмерных или недостаточных нагрузок.
Исследование структуры и свойств заготовок из сплава ВТ20 с нанесенным пористым покрытием
Анализ и прогнозирование напряженно-деформированного состояния системы при действии функциональных нагрузок является важнейшим элементом проектирования эндопротезов. Однако, строгое аналитическое решение возможно только для очень ограниченного круга задач теории упругости. Поэтому для инженерной практики огромное значение имеют приближенные методы. Важность этих методов особенно возрастает в связи с активным внедрением в теорию и практику проектирования вычислительной техники и новейших информационных технологий.
Наибольшее применение для решения прикладных инженерных задач имеют два метода: метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР). В настоящее время МКЭ является самым эффективным прямым методом приближенного решения прикладных задач биомеханики.
В основе этого метода лежит представление объекта исследования в виде набора некоторых простых с геометрической точки зрения фигур, называемых конечными элементами, взаимодействующими между собой только в узлах. Геометрически объемные тела удобно представлять в виде совокупности элементарных пирамид, параллелепипедов и призм. Такое представление рассматриваемого объекта позволяет решать задачи расчета напряженного и деформированного состояний тела, устойчивости и динамики.
Практическое использование этого метода во многом зависит от уровня развития компьютерной техники, качества программного обеспечения, реализующего этот метод и, что немаловажно, подхода к моделированию конкретной биомеханической задачи [134]. Исследование биомеханики тазобедренного сустава, в том числе искусственного, при полном объеме движений и, соответственно, различных комбинациях нагрузок является самостоятельной и достаточно сложной технической задачей. В рамках данной работы в соответствии с поставленными целями, эта задача была существенно упрощена с учетом известных принципов механики.
Любая совокупность внешних сил, действующих на систему «бедренная кость - ножка эндопротеза» при различных движениях человека, может быть приведена к равнодействующей силе и совокупности вращающих моментов вокруг трех ортогональных осей в системе координат с началом в центре ротации системы (центре головки бедра или эндопротеза). При этом линия действия равнодействующей силы проходит через центр ротации (см. рис. 1.З.). Поскольку центр ротации системы удален от геометрической (анатомической) оси бедренной кости на расстояние, называемое офсетом, то равнодействующая сила, приложенная к центру ротации, создает в системе «бедренная кость - ножка эндопротеза» изгибающий момент. Величина этого момента в каждом поперечном сечении системы определяется произведением равнодействующей силы на расстояние от линии ее действия до оси бедра. Напряженно-деформированное состояние в каждом элементарном объеме каждого компонента такой системы определяет работоспособность компонентов и всей системы, а также стабильность взаимного положения компонентов. Если функциональные нагрузки вызывают в каких-нибудь микрообъемах материалов компонентов напряжения, превышающие некоторые критические значения (например, предел прочности, предел текучести, предел выносливости и т.д.), то происходит либо разрушение одного или нескольких компонентов, либо их необратимая деформация, что приводит к частичной или полной потере работоспособности всей системы. Нормальное функционирование системы нарушается также при превышении допустимого относительного смещения компонентов. Такой подход не учитывает биологическую реакцию живого организма на внешние механические воздействия, которая обеспечивает (в определенных пределах) «подстройку» системы «бедренная кость - ножка эндопротеза» к условиям функционирования. Эта «подстройка» происходит путем остеоинтеграции и/или трансформации структуры, объема и свойств костной ткани, взаимодействующей с имплантатом, на протяжении достаточно длительного периода времени.
Для анализа механического поведения системы «бедренная кость - ножка эндопротеза» и выбора принципов первичной фиксации бедренного компонента необходимо и достаточно ограничиться рассмотрением нескольких, наибольших по величине и «опасных» для стабильности системы нагрузочных факторов. В первую очередь к ним следует отнести равнодействующую силу R с линией действия, проходящей через центр ротации (точнее ее компоненту Pz, которая может в 4 - 5 раз превышать вес человека) и крутящие моменты Му и Mz (см. рис. 1.З.). Эти нагрузочные факторы вызывают в компонентах системы «эндопротез-кость» реактивные силы (реакции опоры), приводящие систему в состояние механического равновесия. В результате в каждом элементарном объеме системы формируется сложное упруго-пластическое объемное напряженно-деформированное состояние, описываемое тензорами напряжений и деформаций. Строгий аналитический расчет напряжений и деформаций в такой геометрически сложной многокомпонентной системе невозможен.
В настоящей работе методом конечных элементов с использованием программы ANSYS проведен анализ напряженно-деформированного состояния, возникающего при воздействии наиболее критичных функциональных нагрузок в системе «бедренный компонент (ножка) эндопротеза тазобедренного сустава -костные структуры».
