analiza numeryczna kręgów i klatki międzykręgowej odcinka

Michał KARWAT, Karolina KARCZEWSKA, Studenckie Koło Naukowe Inżynierii
Biomedycznej, Zakład Bioinżynierii i Obróbki Plastycznej, Instytut Technologii
Mechanicznych, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska
ANALIZA NUMERYCZNA KRĘGÓW I KLATKI MIĘDZYKRĘGOWEJ
ODCINKA LĘDŹWIOWEGO KRĘGOSŁUPA
NUMERICAL ANALYSIS OF VERTEBRAE AND INTERVERTEBRAL
CAGE LUMBAR SPINE
Słowa kluczowe: inżynieria biomedyczna, klatka międzykręgowa, analiza
numeryczna, druk 3D, tworzywa polimerowe.
1. WSTĘP
Celem pracy było zamodelowanie poszczególnych elementów – kręgów i klatki
międzykręgowej, złożenie części, a następnie przeprowadzenie analizy wytrzymałościowej,
przy zastosowaniu konkretnej wartości obciążenia. Jedną z najbardziej rozwijających się
dziedzin biomechaniki są badania modelowe odcinków kręgosłupa, dające możliwość lepszego
poznania etiologii powstawania urazów kręgosłupa oraz ich patologii. Umożliwia to
znajomość parametrów kinematycznych oraz dynamicznych. Rozwój cywilizacji, tryb siedzący
społeczeństwa oraz jednocześnie nadmierne przeciążenia struktur kostnych prowadzi do
pogłębiania się schorzeń kręgosłupa szczególnie w odcinku lędźwiowym na poziomie kręgów
L5-S1 oraz rzadziej na poziomie L4-L5 i L3-L4. Szczególny postęp przy wytwarzaniu
implantów widoczny jest w rozwoju materiałów niemetalicznych w celu większego zbliżenia
do różnorodnych własności tkanek miękkich i kości z jednoczesną dobrą biotolerancją i
wytrzymałością. Z uwagi na ten fakt, w niniejszej pracy wykorzystano metodę druku 3D z
użyciem biozgodnych tworzyw polimerowych. Zaprojektowana klatka wykorzystywana jest
jako samodzielny implant przeznaczony do stosowania z przeszczepem kostnym przy dostępie
przednim jednego lub dwóch sąsiadujących poziomów odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Za
pomocą tych implantów leczone są choroby zwyrodnieniowe krążków międzykręgowych oraz
kręgozmyków stopnia pierwszego w odcinku lędźwiowym kręgosłupa od poziomu L2 do S1.
2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
2.1. Geometria modelu
Do projektu wykorzystano kręgi lędźwiowe L2 i L3. Symulacja została przeprowadzona
w programie AutoCad. Kolejnym etapem było zaprojektowanie klatki międzykręgowej
w programie SolidWorks (Rys.1a). Gotowy model klatki oraz kręgów lędźwiowych złożono
również z wykorzystaniem programu SolidWorks (Rys.1b). Złożenie zostało wyeksportowane
do
programu
AutoDesk
Inventor,
gdzie
przeprowadzono
symulację.
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 66
W dalszej części pracy stworzona geometria modelu kręgów oraz klatki międzykręgowej
została zapisana w formacie STL, co umożliwiło wydruk 3D.
Rys.1. Klatka międzykręgowa (a), umieszczenie klatki między kręgami (b)
2.2 Model materiału
Każdy model kręgów wraz z klatką międzykręgową został wydrukowany przy użyciu
trzech materiałów: polietylenu (PET), poliwęglanu (PC) oraz polilaktydu (PLA). Wymienione
materiały charakteryzują się następującymi cechami: biotolerancją, odpornością na korozję
oraz dobrą wytrzymałością przy obciążeniu statycznym i dynamicznym.
2.3 Analiza MES
Model numeryczny zbudowano w systemie AutoDesk Inventor w celu wyznaczenia stanu
przemieszczeń i naprężeń w częściach składowych implantu i kręgów. Po dyskretyzacji
modelu utwierdzono całkowicie wybraną powierzchnię oraz nałożono siłę o wartości 150 N.
Symulację przeprowadzono w trzech etapach: przed nałożeniem obciążenia, w trakcie
obciążenia oraz po całkowitym obciążeniu.
LITERATURA
[1] Gzik M.: Biomechanika kręgosłupa człowieka. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007
[2] Borkowki P.: Analiza Biomechaniczna Sztucznego Krążka Międzykręgowego. BioAlgorithms And Med.-Systems, Vol.1/2,2005, pp.143-146
[3] Ciupik L., Kierzykowska A.,Jędrych Ł.: Biomateriały stosowane na implanty DERO:
historia, współczesność, przyszłość. Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia
kręgosłupa systemem DERO, Zielona Góra 2005, s.37-46