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