Исследование конституции локтевого сустава изготовлено с использованием технологии печати

Исследование конституции локтевого сустава изготовлено с использованием технологии печати

Кармен Бакаин, бакалавр кафедры

«Материаловедение и биомедицинская инженерия»;

Научный руководитель: Пичхидзе Сергей Яковлевич  доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.», г. Саратов

Объектом данной работы является разработка конструкции эндопротеза локтевого сустава, а также технологии его производства. Предложены решения по улучшению качества эксплуатации эндопротеза, путем проведения ряда исследований и испытаний.

Ключевые эндопротез локтевого сустава, метод конечных элементов,  3-Д печать, ABS-пластик.

Эндопротез - это устройство, устанавливаемое внутрь человеческого тела, которое способно заменить орган, утративший свою функциональность [1].

 Так как эндопротезы заменяют биологические системы, то и требования к ним предъявляются строгие. Во-первых, это срок службы, в среднем который составляет 7-20 лет. В разных ситуациях этот срок может увеличиваться. После рекомендуемого срока эксплуатации эндопротез заменяют [2].

В погоне за разными результатами использования данного медицинского изделия его предлагаемая конструкция изменяется. Для оптимизации новых решения актуальным способом на данный момент является моделирование эндопротезов и симуляция их эксплуатации.

Цель работы: анализ конструкции локтевого сустава, изготавливаемого по технологии трехмерной печати.

Разработанная конструкция локтевого сустава на основе ABS пластика, представлена на рис. 1.

[pic 1] 

Рисунок 1 – Эндопротез локтевого сустава: 1-плечевая ножка;
2 –локтевая ножка;3 – ножка лучевого эндопротеза; 4 – головка лучевого эндопротеза;5 –вкладыш;6 – вкладыш;7 – винт резьбовой;8-резьбовая втулка

Основной отличительной особенностью данной конструкции является возможность печати корпуса на 3D принтере.

Исследование конструкции

В ходе проекта в SolidWorks была разработана 3-D модель эндопротеза локтевого сустава (рисунок 2). Были проведены ряд исследований и симуляций для составления анализа модернизированной конструкции и предлагаемых решений.

Расчет статических нагрузок

Поскольку конструкция эндопротеза была модифицирована за счет изменения формы ножки исоздание шарнира, было принято решение провести расчёт статических нагрузок на полученную конструкцию.

Так как большие изменения были введены в области соединения ножек, то и расчёт нагрузок проводился на эндопротез в сборке. В качестве материалов, используемых в симуляции, использовался сплав Ti-6Al-4V и СВПЭ. Расчет был проведен в программном обеспечении «SolidWorksSimulation».

Условия приложения нагрузок

Эндопротез был закреплён за стебель плечевой ножки. Нагрузки были приложены к стеблю локтевой ножки и лучевой ножке с соотношением 75% и 25% соответственно. Угол раскрытия эндопротеза составлял 180 ̊. Нагрузки были приложены без учета костной интеграции.

Результаты

При суммарной прилагаемой нагрузке в 500 Н конструкция показывает удовлетворительные результаты попоказателямстатическогосмещенияmin 0, max 1,5 mm и абсолютнойдеформацииотн. ед., min 1,170×10-17, max 1,325×10 2(рисунок 6).

Следует также заметить, что соединение стебля плечевой ножки с основанием нуждается в дальнейшей доработке из-за накопления повышенного напряжения поМизесуmin 0, max 622,369 Па. Деформация в свою очередь в большей степени наблюдается у вкладышей, что делает деформацию упругой.