Оптимизация аугментации костных дефектов титановыми ячеистыми имплантатами в оперативной травматологии и ортопедии

УДК 617-089.844

DOI: 10.22138/2500-0918-2017-14-4-435-442

М.В. Гилев, Е.А. Волокитина, Ю.Н. Логинов, А.И. Голоднов, С.И. Степанов,Ю.В. Антониади, М.Ю. Измоденова, Ф.Н. Зверев

Уральский государственный медицинский университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация;
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина,г. Екатеринбург, Российская Федерация

Резюме. Интенсивность использования титановых имплантатов в оперативной травматологии и ортопедии непрерывно увеличивается. Широкое применение титана и его сплавов обусловлено высокой биохимической и биомеханической совместимостью этих материалов с живыми тканями.
Цель. Изучить влияние пористости сетчатой структуры на модуль упругости и предел текучести ячеистого имплантата из сплава Ti-6Al-4V путем расчетов, выполненных с применением метода конечных элементов.
Материалы и методы. Как модельный материал был взят титановый сплав Ti-6Al-4V. В качестве базовой архитектуры использовали сетчатую структуру, элементарная ячейка которой состоит из цилиндров, ориентированных в пространстве под углом 109°28′ друг к другу. Для проведения расчетов в программном пакете Solid Works построены 3D модели элементарной ячейки с разной долей пор. Образцы проектировали в форме куба с открытой пористостью, при этом сторона куба составляла не менее 10 размеров поры и не менее 10 мм. Был проведен опыт на сжатие, регламентированный стандартом ISO 13314. Для проведения расчетов в модуле Mechanical Structure комплекса программ ANSYS построены тетрагональные сетки для всех типов образцов. Для проверки корректности результатов в модуле Mechanical Structure комплекса программ ANSYS оценивалась сходимость расчетов по минимальному значению перемещений вдоль оси нагружения Y. 
Результаты. При помощи расчетов создана ячеистая структура имплантата с понижением модуля упругости более чем в три раза по отношению к компактному титановому сплаву. Выявлены зоны локализации эквивалентных напряжений, даны рекомендации по возможному улучшению архитектуры имплантата.
Заключение. Данное исследование показало, что с позиции прочностных свойств использование пористого титана для замещения дефектов кости является перспективным направлением в совершенствовании методов костной пластики.

Ключевые слова: имплантат, пористый титан, модуль упругости

Дата поступления 02.11. 2017

Образец цитирования:
Гилев М.В., Волокитина Е.А., Логинов Ю.Н. и др. Оптимизация аугментации костных дефектов титановыми ячеистыми имплантатами в оперативной травматологии и ортопедии. Вестник уральской медицинской академической науки. 2017, Том 14, №4, с. 435–442, DOI: 10.22138/2500-0918-2017-14-4-435-442

ЛИТЕРАТУРА
1. Гилев М.В. Опорная остеопластика внутрисуставных импрессионных оскольчатых переломов пяточной кости / М.В. Гилев, Е.А. Волокитина, Ю.В. Антониади, С.М. Кутепов// Вестник уральской медицинской академической науки. 2017. №14(2).- C. 123–130. DOI: 10.22138/2500-0918-2017-14-2-123-130
2. Гилев М.В. Костная аутопластика участком гребня крыла подвздошной кости в хирургии внутрисуставных переломов костей конечностей. Анализ встретившихся осложнений/ М.В. Гилев, Е.А. Волокитина, Ю.В. Антониади, В.Д. Гвоздевич, Ф.Н.Зверев, Д.Н. Черницын// Вестник уральской медицинской академической науки. 2017. №14(1), C. 5–11. DOI: 10.22138/2500-0918-2017- 14-1-5-11
3. Предеин Ю.А. Костные и клеточные имплантаты для замещения дефектов кости/ Ю.А.Предеин, В.В. Рерих// Современные проблемы науки и образования. 2016. №6.-С. 132.
4. Макарова Э.Б. Экспериментальное обоснование замещения дефектов костной ткани пористыми титановыми имплантатами с углеродсодержащими нерезорбируемыми нанопокрытиями / Э.Б. Макарова, Екатеринбург: 2015. С. 323.
5. Passarelli M.C. Comparison of Puddu osteotomy with or without autologous bone grafting: a prospective clinical trial/ M.C. Passarelli, J.R.T. Filho, F.A.M. Brizzi, G.C.Campos, A.R. Zorzi, J.B. Miranda //Rev Bras Ortop. 2017.V.52(5). -P.555-560.
6. Гаин Ю. М. Применение в хирургии материала с памятью формы из никелида титана/ Ю. М. Гаин, М. А, Герасименко, В. Л. Денисенко, С. В. Шахрай, В. Г. Богдан, М. Ю. Гаин, В. В. Рубаник, В. В. Рубаник, С. А.Легкоступов//Медицинский журнал.2016. №2(56). -С. 28-35.
7. Eglin D. Degradable polymeric materials for osteosynthesis: tutorial/ D. Eglin, M. Alini// European Cells and Materials. 2008. V. 16. — P. 80 — 91.
8. Fuping Li Porous Ti6Al4V alloys with enhanced normalized fatigue strength for biomedical applications/ Fuping Li, Jinshan Li, Hongchao Kou, Lian Zhou// Materials Science and Engineering: C. 2016. V. 60. — P. 485–488.
9. Логинов Ю.Н. Об уравнениях связи напряжений и деформаций для сжимаемого жестко-пластического материала/ Ю.Н.Логинов, Н.Н. Шарафутдинов, В.Л. Колмогоров //Технология легких сплавов. 1977. № 4.- С. 20-25.
10. Tsukrov I. Effective elastic properties of solids with defects of irregular shapes/ Tsukrov Igor, Novak Jindrich//International Journal of Solids and Structures. 2002. V. 39.- P. 1539–1555.
11. Grib S.V. Development and investigation of the structure and physical and mechanical properties of low-modulus Ti-Zr-Nb alloys. /S.V. Grib, A.G. Illarionov, A.A. Popov, O.M. Ivasishin// The Physics of Metals and Metallography. 2014. V. 115. Iss. 6. P. 600-608.
12. Pal-Val P.P. Unusual Young's modulus behavior in ultrafine-grained and microcrystalline copper wires caused by texture changes during processing and annealing/ P.P. Pal-Val, Y. Loginov, S.L. Demakov, A.G. Illarionov, V.D. Natsik, L.N. Pal-Val, A.A. Davydenko, A.P. Rybalko // Materials Science and Engineering A. 2014. V. 618. — P. 9-15.
13. Shen H. Effect of microstructural configurations on the mechanical responses of porous titanium: A numerical design of experiment analysis for orthopedic applications/ H. Shen, H. Li, L.C. Brinson // Mechanics of Materials, 2008. V. 40. Iss. 9. P. 708-720.
14. Логинов Ю.Н. Испытание на осадку пористого имплантата, полученного аддитивным методом из титанового сплава/ Ю.Н. Логинов, А.А.Попов, С.И.Степанов, Е.Ю. Ковалев //Титан. 2017. №2. 
15. Loginov Y.N. Effect of Pore Architecture of Titanium Implants on Stress-Strain State upon Compression/ Y.N. Loginov, S.I. Stepanov, E.V. Khanykova //Solid State Phenomena V. 265. — P. 606-610.

Авторы
Гилев Михаил Васильевич
Уральский государственный медицинский университет
К.м.н., доцент кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии, старший научный сотрудник института травматологии и ортопедии
Российская Федерация, 620028, Екатеринбург, Репина, 3 
gilevmikhail@gmail.com

Волокитина Елена Александровна
Уральский государственный медицинский университет
Д.м.н., профессор кафедры травматологии и ортопедии ФПК и ПП ФГБОУ, ведущий научный сотрудник института травматологии и ортопедии
Российская Федерация, 620028, Екатеринбург, Репина, 3

Логинов Юрий Николаевич
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Профессор, д.т.н., профессор кафедры обработки металлов давлением
Российская Федерация, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Голоднов Антон Игоревич
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
К.т.н., доцент кафедры литейного производства и упрочняющих технологий
Российская Федерация, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Степанов Степан Игоревич
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
К.т.н., доцент кафедры термообработки и физики металлов
Российская Федерация, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Антониади Юрий Валерьевич
Уральский государственный медицинский университет
К.м.н., доцент кафедры травматологии и ортопедии ФПК и ПП
Российская Федерация, 620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3

Измоденова Мария Юрьевна
Уральский государственный медицинский университет
Студентка IV курса педиатрического факультета
Российская Федерация, 620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3

Зверев Федор Николаевич
Уральский государственный медицинский университет
Аспирант кафедры травматологии и ортопедии ФПК и ПП
Российская Федерация, 620028, Екатеринбург, ул. Репина, 3