Моделювання напружено-деформованого стану динамічного імплантату для стабілізації хребців з проміжним пружним елементом
DOI:
https://doi.org/10.33271/crpnmu/86.340Ключові слова:
динамічна стабілізація хребта, імплантат, еластомер, силікон, гума, поліетилен низької щільності, титановий сплав, Autodesk Fusion 360, метод скінченних елементів, напружено-деформований стан, концентрація напруженьАнотація
Мета. Обґрунтування конструктивної схеми динамічного імплантату з проміжним пружним елементом та аналіз впливу вибору матеріалу цього елемента на напружено-деформований стан моделі стабілізаційного пристрою за заданих статичних навантажень.
Методика дослідження. Аналіз конструкції системи TOPS™ як функціонального прототипу; параметричне 3D-моделювання імплантату й розрахунок його напружено-деформованого стану засобами Autodesk Fusion 360. Порівняння трьох варіантів виконання проміжного пружного елемента: з гуми, з силіконового еластомеру і з лінійного поліетилену низької щільності.
Результати дослідження. Для навантаження 1000 Н на дві верхні гілки конструкції максимальні переміщення становили відповідно 39,327; 26,697 та 2,222 мм. Максимуми еквівалентних напружень за Мізесом, отримані з чисельного розрахунку, досягали 5022,786; 3359,223 та 1336,859 МПа. При дії бокової сили 50 Н на одну верхню гілку отримано переміщення 25,104 мм для гуми та 16,887 мм для силікону. Виявлено концентрацію найбільших еквівалентних напружень у зонах з’єднання кріпильних гілок із корпусом імплантату.
Наукова новизна. На основі порівняльного аналізу отриманих результатів імітаційного моделювання напружено-деформованого стану динамічного імплантату встановлено закономірності впливу механічних властивостей матеріалу проміжного пружного елементу на інтегральну податливість конструкції. Показано, що за двох досліджених схем статичного навантаження максимальні переміщення конструкції з гумовим елементом приблизно в 1,5 рази перевищують відповідні значення для силіконового елемента, тоді як використання лінійного поліетилену низької щільності істотно зменшує деформативність конструкції за умов її симетричного навантаження. Сформульовано критерії подальшої верифікації моделі для оцінювання працездатності імплантату.
Практичне значення. Результати можуть бути використані на етапі концептуального проєктування: для вибору напряму оптимізації геометрії, розташування пружної вставки, перевірки вузлів кріплення та формування програми числових і стендових випробувань.
Посилання
1. U.S. Food and Drug Administration. (2023, June 15). TOPS system - P220002. https://www.fda.gov/medical-devices/recently-approved-devices/tops-system-p220002.
2. Pinter, Z. W., Freedman, B. A., Nassr, A., [інші автори]. (2023). A prospective study of lumbar facet arthroplasty in the treatment of degenerative spondylolisthesis and stenosis: Results from the Total Posterior Spine System (TOPS) IDE study. Clinical Spine Surgery, 36(2), E59–E69. https://doi.org/10.1097/BSD.0000000000001365.
3. Ratner, B. D., Hoffman, A. S., Schoen, F. J., & Lemons, J. E. (Eds.). (2013). Biomaterials science: An introduction to materials in medicine (3rd ed.). Academic Press.
4. Park, J. B., & Lakes, R. S. (2007). Biomaterials: An introduction (3rd ed.). Springer.
5. ASTM International. (2023). Standard specification for wrought titanium-6aluminum-4vanadium alloy for surgical implant applications (UNS R56400) (ASTM Standard No. F1472-23). https://doi.org/10.1520/F1472-23.
6. ASTM International. (2026). Standard specification for wrought titanium-6aluminum-4vanadium ELI (extra low interstitial) alloy for surgical implant applications (UNS R56401) (ASTM Standard No. F136-26). https://store.astm.org/standards/f136.
7. ASTM International. (2021). Standard test methods for spinal implant constructs in a vertebrectomy model (ASTM Standard No. F1717-21). https://doi.org/10.1520/F1717-21.
8. International Organization for Standardization. (2025). Biological evaluation of medical devices - Part 1: Requirements and general principles for the evaluation of biological safety within a risk management process (ISO Standard No. 10993-1:2025).
9. International Organization for Standardization. (2009). Biological evaluation of medical devices - Part 5: Tests for in vitro cytotoxicity (ISO Standard No. 10993-5:2009)..
10. International Organization for Standardization. (2020). Biological evaluation of medical devices - Part 18: Chemical characterization of medical device materials within a risk management process (ISO Standard No. 10993-18:2020).
11. International Organization for Standardization. (2019). Medical devices - Application of risk management to medical devices (ISO Standard No. 14971:2019).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
All articles are published under the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Authors retain copyright and grant the journal right of first publication.
Authors are permitted and encouraged to deposit the final published version of their article, or the Author's Accepted Manuscript (AAM), in institutional or subject-specific open-access repositories (including the university's own institutional repository, CORE, Zenodo, or Figshare), ensuring maximum visibility, accessibility, and impact of the publication.
