Моделирование деформационного поведения биосовместимых имплантатов из полиуретана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование деформационного поведения биосовместимых имплантатов из полиуретана

А.Ю. Беляев, Институт механики сплошных сред УрО РАН, В.С. Чудинов Пермский государственный национальный исследовательский университет

Аннотация

Изготовление биосовместимых имплантатов из полиуретана, обработанного плазмой, является очень перспективным. В процессе обработки плазмой поверхность полиуретана приобретает уникальные физико-химические свойства. Однако такая обработка может изменить механические свойства полиуретана, что может негативно отразится на деформационном поведении реального имплантата. В связи с этим необходимо тщательное исследование механических свойств модифицированного плазмой полиуретана. Данная работа посвящена исследованию упругих характеристик обработанного плазмой полиуретана и моделированию деформационного поведения реального биоимплантата изготовленного из такого материала.

плазма полиуретан эндопротез деформированный

Проблема создания биосовместимых имплантов поднимается во многих работах [1]. Для их создания используют различные материалы: металлы, полимеры, керамики. Все эти материалы пригодны для различных классов протезов. В данной работе будет рассмотрено использование полимеров, которые пригодны для создания имплантатов мягких тканей в частности слуховых имплантов, маммопротезов, сердечных клапанов, межфаланговых эндопротезов и т.д. Наиболее используемым в имплантологии мягких тканей полимером является силикон [2-3]. Однако этот полимер имеет ряд недостатков: не все продукты распада полимера выводятся из организма и накапливаются в нем, что может привести к неблагоприятным для пациента последствиям. Кроме того силикон - биоинертный материал, а биоинертности порой бывает недостаточно, чтобы обеспечить функционирование протеза в организме. Внедрение имплантата в организм запускает процесс инкапсуляции и в конечном итоге это приводит к образованию кальцинированной оболочки вокруг имплантата.

Полиуретан имеет важное преимущество перед силиконом: будучи биоинертным, он может быть подвергнут ионно-плазменной обработке. В результате обработки его поверхность становится активной и на нее может быть адсорбирован протеин. Правильно адсорбированный протеин не только будет прочно связан с поверхностью, но и примет нужную конформацию. В таком состоянии протеин будет служить связью между инородным телом (имплантом) и живым организмом. Иными словами, будет достигнута биосовместимость имплантата с организмом. Несмотря на то, что обработка плазмой позволяет получить поверхность материала с уникальными физико-химическими свойствами, есть основания полагать, что она так же окажет влияние на механические свойства материала. При высоком флюенсе азотной плазмы (порядка 10¹⁶ ион/см²) и энергии ионов 20 кэВ на поверхности материала образуется углеродный слой толщиной около100 нм [4].

Наличие такого слоя на поверхности влечет за собой ряд проблем. Такой слой может трескаться при деформации материала, что вызовет образование трещин и в конечном итоге приведет к разрушению имплантата. Из этого следует, что при проектировании реального протеза, нужно подбирать такую его форму, чтобы она соответствовала анатомически и при этом по возможности свести к минимуму деформацию на поверхности протеза. В данной работе рассматривается экспериментальное исследование механических свойств полиуретана, обработанного плазмой. Так же проведен расчет напряженно-деформированного состояния реального межфалангового эндопротеза и проведен анализ эффективности нескольких его возможных форм.

Эксперимент и расчет модели межфалангового эндопротеза.

Исследование механических свойств полиуретана проводилось на динамо-механическом анализаторе DMA/SDTA861e. ДМА метод был выбран потому, что с его помощью можно получить информацию не только об изменении упругих, но и диссипационных свойствах материала. Исследовались 5 групп образцов: необработанные (init) и 4 группы с разными флюенсами обработки: 5*10¹⁴, 10¹⁵, 5*10¹⁵ и 10¹⁶ соответственно. Такие значения флюенсов были получены при обработке плазмой из ионов азота с энергией 20keV в течение 40, 80, 400 и 800 секунд. Измерения проводились при частотах 1, 4, 7. Для каждой частоты амплитуда нагружения изменялась от 1 до 10% с шагом 1,5%. Для каждой амплитуды определялись значения E` (динамический модуль упругости) и E`` (динамический модуль потерь).

Значения E` зависят от деформации, что характерно для полимеров. Зависимость E` от флюенса обработки очень слабая, результаты измерений отличаются в пределах погрешности прибора. На основании измерений можно сделать вывод о том, что упругие свойства материала не зависят от обработки плазмой.

Принимая во внимание, результаты, полученные с помощью ДМА анализа, было решено рассматривать полиуретан как гиперупругий материал. В расчет закладывались свойства необработанного полиуретана в связи с низким влиянием ионно-плазменной обработки на упругие свойства. Для моделирования межфалангового эндопротеза в нелинейно-упругой постановке необходимо иметь кривую деформационного поведения материала. Для этого был проведен эксперимент на одноосное растяжения образцов из полиуретана. На основе этого деформационного поведения был проведен расчет напряженно-деформированного состояния межфалангового эндопротеза сустава пальца.

Рис. 1 Значения динамического модуля упругости E` для образцов полиуретана с разным флюенсом обработки

Протез устанавливается следующим образом: межфаланговый сустав вскрывается с тыльной стороны, разрушенные окончания фаланг удаляются, костные фиксаторы вставляются в расширенные костномозговые каналы. Рабочая часть располагается на уровне, соответствующем настоящему суставу. Живые ткани, окружающие сустав должны оставаться на своем естественном месте. В связи с этим форма эндопротеза должна быть максимально приближена к форме естественного сустава.

Проведен расчет напряженно-деформированного состояния нескольких моделей межфалангового эндопротеза сустава пальца. Различные вырезы и полости сделаны с целью снизить жесткость конструкции и минимизировать деформации на поверхности рабочей части протеза, выполненной из обработанного плазмой полиуретана. Из предложенных вариантов выбран наиболее эффективный.

Рис. 2 Конечно-элементная реализация различных вариантов межфалангового эндопротеза

Исследование полиуретана, обработанного с помощью ионно-плазменной имплантации, ДМА методом не показало значительного влияния обработки на упругие свойства. Надо отметить, что ДМА анализ проводится при деформациях, не превышающих 10%. Принимая во внимание тот факт, что деформации на поверхности рассматриваемого протеза не сильно превышают деформации в эксперименте, эту оценку вполне можно считать адекватной. Для проектирования другого типа протеза, работающего при больших деформациях необходимы дополнительные исследования. Так же необходимо провести ряд исследований по определению прочностных характеристик. Это является одним из следующих этапов исследования.

Предложена форма эндопротеза, которая геометрически приближена к живому суставу. Помимо этого удалось значительно снизить деформации на поверхности, что положительно сказывается на нормальном функционировании активного углеродного слоя.

Литература

1. Kondyurin A., V. Romanova, V. Begishev, I. Kondyurina, R. Guenzel, M. F. Maitz Crosslinked Polyurethane Coating on Vascular Stents for Enhanced X-ray Contrast//Journal of Bioactive and Compatible Polymers. Sage, 2004, 77-93

2. Chuang T-W, Masters K.S.//Biomaterials, 2009, 30, 5341

3. Kondyurin A.V., Maitz M.F., Romanova V.A., Begishev V.P., Kondyurina I.V., Guenzel R.// J. Biomater. Sci. Polymer Edn, 2004, 15(2), 145

4. Kondyurin A., Bilek M.M.M., Ion beam treatment of Polymers//Elsevier, 2014

Размещено на Allbest.ru