analiza wytrzymałościowa dynamicznego implantu szyjnego
Transkrypt
analiza wytrzymałościowa dynamicznego implantu szyjnego
Olga KUBERSKA, Karolina KARCZEWSKA, Studenckie Koło Naukowe Inżynierii Biomedycznej, Zakład Bioinżynierii i Obróbki Plastycznej, Instytut Technologii mechanicznych, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA DYNAMICZNEGO IMPLANTU SZYJNEGO WYKONANEGO ZA POMOCĄ TECHNIKI DRUKU 3D STRENGHT ANALYSIS OF 3D PRINTED DYNAMIC CERIVICAL IMPLANT Słowa kluczowe: inżynieria biomedyczna, dynamiczny implant kręgosłupa szyjnego, druk 3D, tworzywa polimerowe 1. WSTĘP Celem badania było stworzenie modelu geometrycznego i numerycznego dynamicznego implantu kręgosłupa w odcinku szyjnym. Głównym i innowacyjnym założeniem było wykonanie tego implantu za pomocą biozgodnych tworzyw polimerowych wykorzystując w tym celu metodę druku 3D. Z racji tego, że największy zakres wykonywanych ruchów odbywa się w części szyjnej kręgosłupa, istotne było aby implant pozwalał na zachowanie ruchomości w danym segmencie kręgosłupa szyjnego. Na rynku dostępne są dynamiczne implanty szyjne wykonane ze stopów tytanu natomiast w niniejszej pracy implant został wykonany z biomateriałów polimerowych za pomocą techniki druku 3D. W badaniu tym porównane zostały istniejące już na rynku dynamiczne implanty kręgosłupa szyjnego wykonane ze stopów tytanu z implantami wydrukowanymi z biomateriałów polimerowych. Tworzywa polimerowe wykazują lepszą plastyczność w porównaniu do stopów tytanu jak również dają możliwość wykorzystania geometrii „plastra miodu” co wpływa na wytrzymałość opracowanego implantu. W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w naukach związanych z biomechaniką, dlatego celem było aby implant poprzez możliwość wykorzystania druku 3D mógł być stosowany na szerszą skale przy zmianach zwyrodnieniowych krążka miedzykręgowego. Dzięki temu sposobowi oraz na podstawie zdjęcia tomograficznego pacjenta jest okazja lepszego i szybszego dopasowania indywidulanego dynamicznego implantu kręgosłupa do potrzeb pacjenta. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ 2.1. Geometria modelu Modelowaniu geometrycznemu został poddany dynamiczny implant odcinka szyjnego kręgosłupa (Rys.1). Podczas projektowania możliwe było modyfikowanie wartości wymiarów sterujących modelem, ponieważ model wirtualny implantu międzykręgowego szyjnego jest parametryczny. Przy konstruowaniu implantu wzięto pod uwagę trzy podstawowe wymiary tj. wysokość, długość oraz szerokość. Przy użyciu programu AutoCAD stworzony został szkic XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej s. 76 implantu. Następnie projekt wyeksportowano do programu CATIA, gdzie utworzono model 3D. W badaniu rozpatrzone zostały dwa rodzaje geometrii modelu: pierwszy o strukturze wypełnienia gładkiej oraz drugi wypełniony przy pomocy struktury plastra miodu. Po utworzeniu geometrii implantu niezbędne było przekonwertowanie modelu o formatu STL, umożliwiającego wydruk 3D. Rys.1. Model geometryczny dynamicznego implantu szyjnego 2.2 Model materiału W badaniu zastosowano trzy rodzaje materiałów, z których wykonany został implant tj. polilaktyd, poliwęglan oraz polietylen. Wszystkie użyte biomateriały były dobrane zgodnie z przewidzianym zastosowaniem, aby nie pogarszały stanu, bezpieczeństwa oraz zdrowia pacjenta. 2.3 Sposób wykonania implantu Do wytworzenia dynamicznego implantu odcinka szyjnego kręgosłupa zastosowano technikę druku 3D. Z uwagi na fakt, że daje to możliwość wyprodukowania pojedynczego elementu bez konieczności uruchamiania specjalistycznej linii produkcyjnej jest to tanie i przyszłościowe rozwiązanie. Za pomocą techniki druku 3D możliwe jest dostosowywanie wielkości implantu do potrzeb danego pacjenta oraz daje możliwość drukowania zaawansowanych geometrii. 2.3 Ocena wytrzymałościowa konstrukcji implantu Zaprojektowana konstrukcja implantu została poddana analizie wytrzymałościowej pod kątem doboru materiału na elementy składowe oraz wpływu implantu na struktury kostne kręgów w odcinku szyjnym kręgosłupa. LITERATURA [1] Ślimak P., Wolański W., Gzik M.: Wpływ stabilizacji przedniej na biomechanikę odcinka szyjnego kręgosłupa człowieka. Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 5/2011, s.165-170 [2] Gzik M.: Identyfikacja sił w strukturach anatomicznych kręgosłupa szyjnego człowieka. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2008 [3] Mazgajczyk E., Szymczyk P., Chlebus E.: Zastosowanie technologii Rep-Rap do wytwarzania funkcjonalnych struktur z PLA. Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 8/2014, s.109-114