Российский журнал биомеханики
DOI:10.15593/RZhBiomeh/2021.1.05
Авторы: В.Ш. Суфияров, А.В. Орлов, А.А. Попович, М.О. Чуковенкова, А.В. Соклаков, Д.С. Михалюк

Наиболее частыми причинами ревизионной хирургии после операции по замене тазобедренного сустава являются асептическое расшатывание (асептическая нестабильность) эндопротеза, разрушение кости в результате взаимодействия с эндопротезом, а также перипротезный перелом. Причины подобных явлений вызваны перераспределением нагрузки на костную ткань при эндопротезировании, которое возникает из-за различия жесткости эндопротеза и кости. При производстве эндопротезов широко применяется титановый сплав, который имеет хорошую биосовместимость, обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, но такие эндопротезы являются более жесткими по сравнению с бедренной костью. Эти проблемы стимулировали рост интереса к поиску оптимальных материалов и топологии бедренного имплантата. В настоящее время большую популярность набирают аддитивные технологии, позволяющие создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, управляя которыми можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Такие материалы находят свое применение в производстве эндопротезов бедренного сустава, позволяя создавать эндопротезы, механические свойства которых приближены к механическим свойствам бедренной кости, а их пористая структура, в свою очередь, способствует врастанию живой ткани в глубь эндопротеза. Авторами выполнено проектирование и моделирование эндопротеза из градиентного материала, механические свойства которого соответствуют механическим свойствам бедренной кости человека. С помощью инструмента численного моделирования ANSYS Mechanical определено влияние топологии эндопротеза на напряженно-деформированное состояние кости и их совместную работу при различных видах активности человека.

Numerical Analysis of Strength for an Endoprosthesis Made of a Material with Graded Lattice Structures

Russian Journal of Biomechanics

Authors: V.Sh. Sufiiarov, A.V. Orlov, A.A. Popovich, M.O. Chukovenkova, A.V. Soklakov, D.S. Mikhaluk.

The most common causes of conducting a hip revision surgery after total hip replacement are aseptic loosening (aseptic instability) of the endoprosthesis, bone destruction as a result of contact with the endoprosthesis, and a periprosthetic fracture. These are the effects of load transfer to the bone tissue in arthroplasty resulting due to the difference in stiffness of the endoprosthesis and the bone. Titanium alloy is widely used in endoprostheses manufacturing because of its high biocompatibility, good wear properties, and corrosion resistance, but such endoprostheses are stiffer than the femur. These problems have aroused interest in searching for the best materials and topology for a femoral implant. Nowadays, additive technology is of great interest as it enables to create materials with graded density. These materials consist of multiple lattice structures with variable parameters and topology. By varying the parameters of lattice structures, one can adjust the mechanical properties of the material as required. These materials find their application in hip endoprostheses manufacturing, allowing to adjust the parameters of the lattice structures and deliver a product with femur-like mechanical properties. The porous structure also ensures bone tissue ingrowth into the prosthesis. The authors designed and simulated an endoprosthesis made of graded density lattice structures with femur-like mechanical properties. Using a numerical simulation software ANSYS Mechanical, authors determined the effect of the topology on the structural behavior of the femur and defined the endoprosthesis-femur combined performance under various load cases.