Біомеханічний аналіз різноопірності розтягу-стиску, анізотропії та неоднорідності реконструкції кістки в зв'язку з лікуванням перипротезних переломів
Анотація
Введення. Відновлення кістки після періпротезного перелому є критичною проблемою в ортопедії. Мета. Таким чином, дослідження щодо пошуку нових медичних рішень є необхідними, особливо в контексті старіння населення України. Важливість біомеханіки, яка пов'язана із застосуванням принципів, концепцій і методів механіки твердого тіла і рідини до тіла людини в русі і в спокої, давно визнана в якості основи для подальших експериментальних і теоретичних досліджень щодо тканин скелета. Матеріали та методи. Різні аспекти біомеханіки вимагають використання різних концепцій і методів механіки твердого тіла і рідини. Ремоделювання відбувається протягом усього життя кістки, тому цей процес можна розглядати як основний детермінант механічних властивостей кістки і імпланту. Біомеханічний аналіз, наведений у цьому огляді, стосується розуміння того, як механічні сигнали і молекулярні механізми впливають на лікування періпротезних переломів стегнової кістки після ендопротезування кульшового суглоба, типу B1 і C відповідно до Ванкуверської класифікації, за допомогою пластини з менш інвазивною системою стабілізації (LISS) і гвинтів-фіксаторів. Результати. Ідентифікація таких параметрів як механічні властивості кістки, титанових сплавів (протез тазостегнового суглоба, покриття, LISS-пластини, гвинти) і інтерфейсу імплантат / біоматеріал / кістка при механічному і біохімічному навантаженні, які дуже важливі для прогнозування результатів артропластики, були експериментально досліджені з урахуванням упругопластичної деформації, повзучості, втоми, а також розвитку пошкоджень в наведених матеріалах. Серед основних особливостей деформації були досліджені асиметрія розтягування-стиснення, анізотропія і неоднорідність механічних властивостей. Ми використовували трьохвимірну модель кінцевих елементів, отриману в результаті реконструкції магнітно-резонансних (томографічних) зображень і зображень протягом лікування. Висновки. В результаті аналізу цієї моделі було встановлено, що темпи лікування періпротезних переломів стегнової кістки після тотального ендопротезування кульшового суглоба з використанням пластин LISS і гвинтів для внутрішньої фіксації можна контролювати за допомогою пакета програм ABAQUS (або ANSYS) для відтворення характерних особливостей кістки і імпланту при реконструкції кісток з метою підвищення швидкості загоєння перелому і скорочення тривалості лікування.
Завантаження
Посилання
Herzen, G. I., Shtonda, D. V. (2013). Periprosthetic femoral fractures after endoprosthetic replacement of the hip joint: The causes, classification and treatment. Proceedings of the Shupyk National Medical Academy of Postgraduate Education of Ukraine, 22(1), 308–314.
Bauer, M., Brand, S., Schrader, J., Krettek, C. Maier, H. J.; Hassel, T. (2017). Local stress investigation of periprosthetic fractures by total hip replacement: A finite element analysis. BMTMedPhys 2017. Poster session 11: Modelling and simulation I. Dresden, 10.09. – 13.09.2017, S. 152.
Brand, S., Bauer, M., Petri, M., Schrader, J., Maier, H. J., Krettek, C., Hassel, T. (2016). Impact of intraprosthetic drilling on the strength of the femoral stem in periprosthetic fractures: A finite element investigation. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 230(7), 675–681.
Brand, S., Ettinger, M., Omar, M., Hawi, N., Krettek, C., Petri, M. (2015). Concepts and potential future developments for treatment of periprosthetic proximal femoral fractures. The Open Orthopaedics Journal, 9, 405–411.
Chen, S. H., Chiang, M. C., Hung, C. H., Lin, S. C., Chang, H. W. (2014). Finite element comparison of retrograde intramedullary nailing and locking plate fixation with/without an intramedullary allograft for distal femur fracture following total knee arthroplasty. The Knee, 21(1), 224–231.
Martin, R. B., Burr, D. B., Sharkey, N. A., Fyhrie, D. P. (2015). Skeletal Tissue Mechanics. New York: Springer, Second Edition, 501 p.
Martynenko, O. V., Zolochevsky, O. O., Allena, R. (2017). Long term evolution of bone reconstruction with bone graft substitutes. The Journal of V. N. Karazin Kharkiv National University. Series «Medicine», (33), 107–118.
Altenbach, H., Altenbach, J., Zolochevsky, A. (1995). Erweiterte Deformationsmodelle und Versagenskriterien der Werkstoffmechanik. Stuttgart: Deutsher Verlag für Grundstoffindustrie, 172S. [in German].
Zolochevsky, A. A., Sklepus, A. N., Sklepus, S. N. (2011). Nonlinear Solid Mechanics. Kharkiv: Garant, 719 p. [in Russian].
Zolochevskii, A. A. (1988). Modification of the theory of plasticity of materials differently resistant to tension and compression for simple loading processes. International Applied Mechanics, 24(12), 1212–1217.
Mahnken, R., Schlimmer, M. (2005). Simulation of strength difference in elasto‐plasticity for adhesive materials. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 63(10), 1461–1477.
Zolochevskij, A. A. (1988). Kriechen von Konstruktionselementen aus Materialien mit von der Belastung abhängigen Charakteristiken. Technische Mechanik, 9 (3), 177–184. [in German].
Mahnken, R. (2003). Creep simulation of asymmetric effects by use of stress mode dependent weighting functions. International Journal of Solids and Structures, 40(22), 6189–6209.
Altenbach, H., Zolochevsky, A. (1996). A generalized fatigue limit criterion and a unified theory of low‐cycle fatigue damage. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 19(10), 1207–1219.
Susmel, L., Tovo, R., Lazzarin, P. (2005). The mean stress effect on the high-cycle fatigue strength from a multiaxial fatigue point of view. International Journal of Fatigue, 27(8), 928–943.
Chaboche, J. L. (1992). Damage induced anisotropy: On the difficulties associated with the active/passive unilateral condition. International Journal of Damage Mechanics, 1(2), 148–171.
Altenbach, H., Zolochevsky, A. A. (1994). Eine energetische Variante der Theorie des Kriechens und der Langzeitfestigkeit für isotrope Werkstoffe mit komplizierten Eigenschaften. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 74(3), 189–199. [in German].
Wood, J. L. (1971). Dynamic response of human cranial bone. Journal of Biomechanics, 4(1), 1–12.
Atsumi, N., Tanaka, E., Iwamoto, M., Hirabayashi, S. (2017). Constitutive modeling of cortical bone considering anisotropic inelasticity and damage evolution. Bulletin of the JSME. Mechanical Engineering Journal, 4(4), 17-00095-1–17-00095-18.
McElhaney, J. H. (1966). Dynamic response of bone and muscle tissue. Journal of Applied Physiology, 21(4), 1231–1236.
Yamada, H. (1970). Strength of Biological Materials. Baltimore: Williams & Wilkins Company, 296 p.
Garcia, D. (2006). Elastic Plastic Damage Laws for Cortical Bone. Ph.D Thesis, Lausanne: Swiss Federal Institute of Technology, 197 p.
Mirzaali, M. J., Bürki, A., Schwiedrzik, J., Zysset, P. K., Wolfram, U. (2015). Continuum damage interactions between tension and compression in osteonal bone. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 49, 355–369.
Li, S., Demirci, E., Silberschmidt, V. V. (2013). Variability and anisotropy of mechanical behavior of cortical bone in tension and compression. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 21, 109–120.
Thiagarajan, G., Begonia, M. T., Dallas, M., Lara-Castillo, N., Scott, J. M., Johnson, M. L. (2018). Determination of elastic modulus in mouse bones using a nondestructive micro-indentation technique using reference point indentation. Journal of Biomechanical Engineering, 140(7), 071011-1 – 071011-11.
Abdel-Wahab, A. A., Alam, K., Silberschmidt, V. V. (2011). Analysis of anisotropic viscoelastoplastic properties of cortical bone tissues. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 4(5), 807–820.
Nyman, J. S., Leng, H., Dong, X. N., Wang, X. (2009). Differences in the mechanical behavior of cortical bone between compression and tension when subjected to progressive loading. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2(6), 613–619.
Dong, X. N., Acuna, R. L., Luo, Q., Wang, X. (2012). Orientation dependence of progressive post-yield behavior of human cortical bone in compression. Journal of Biomechanics, 45(16), 2829–2834.
Dong, X. N., Luo, Q., Wang, X. (2013). Progressive post-yield behavior of human cortical bone in shear. Bone, 53(1), 1–5.
Nyman, J. S., Roy, A., Reyes, M. J., Wang, X. (2009). Mechanical behavior of human cortical bone in cycles of advancing tensile strain for two age groups. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 89(2), 521–529.
Dendorfer, S., Maier, H. J., Taylor, D., Hammer, J. (2008). Anisotropy of the fatigue behaviour of cancellous bone. Journal of Biomechanics, 41(3), 636–641.
Nikitenko, A. F., Sosnin, O. V., Torshenov, N. G., Shokalo, I. K. (1971). Creep of hardening materials with different properties in tension and compression. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 12(2), 277–281.
Nikitenko, A. F., Sosnin, O. V., Torshenov, N. G., Shokalo, I. K. (1976). Strength characteristics of titanium alloys. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 17(6), 849–852.
Nikitenko, A. F., Sosnin, O. V. (1976). Creep and long-term strength under cyclic loading conditions. Strength of Materials, 8(12), 1395–1398.
Konstantinidis, L., Helwig, P., Hirschmüller, A., Langenmair, E., Südkamp, N. P., Augat, P. (2016). When is the stability of a fracture fixation limited by osteoporotic bone? Injury, 47(S2), S27–S32.
Zolochevsky, A., Galishin, A., Sklepus, S., Parkhomenko, L., Gnitko, V., Kühhorn, A., Leyens, C. (2013). Benchmark creep tests for thermal barrier coatings. Journal of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». Series «Machine-building and CAD », (23), 158–178.
Zolochevskii, A. A. (1982). Allowance for differences in strain resistance in the creep of isotropic and anisotropic materials. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 23(4), 591–596.
Zolochevskii, A. A. (1985). Tensor relationship in the theories of elasticity and plasticity of anisotropic composite materials with different tensile and compressive strength. Mechanics of Composite Materials, 21(1), 41–46.
Kim, J. H., Lee, M. G., Chung, K., Youn, J. R., Kang, T. J. (2006). Anisotropic-asymmetric yield criterion and anisotropic hardening law for composite materials: Theory and formulations. Fibers and Polymers, 7(1), 42–50.
Wang, J., Xiao, Y. (2017). Some improvements on Sun-Chen’s one-parameter plasticity model for fibrous composites. Part I: Constitutive modelling for tension–compression asymmetry response. Journal of Composite Materials, 51(3), 405–418.
Wang, J., Xiao, Y., Inoue, K., Kawai, M., Xue, Y. (2019). Modeling of nonlinear response in loading-unloading tests for fibrous composites under tension and compression. Composite Structures, 207, 894-908.
Pasynok, М. A. (2000). Development of Anisotropic Creep Analysis Methods Taking into Account Damage of Flat Structural Elements of Machines. Ph.D Thesis, Kharkiv: National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 193p. [in Ukrainian].
Zolochevsky, A. A. (1991). Creep of isotropic and anisotropic materials with different behaviour in tension and compression. In Zyczkowski M. (ed.), Creep in Structures (pp. 217–220). Berlin: Springer.
Zolochevsky, A. (1995). The formulation of constitutive equations for anisotropic materials with different behaviour in tension and compression. In Parker D. F. and England A. H. (eds.), IUTAM Symposium on Anisotropy, Inhomogeneity and Nonlinearity in Solid Mechanics (pp. 351–356). Dordrecht: Springer.
Voyiadjis, G. Z., Zolochevsky, A. (1998). Creep theory for transversely isotropic solids sustaining unilateral damage. Mechanics Research Communications, 25(3), 299–304.
Voyiadjis, G. Z., Thiagarajan, G. (1995). An anisotropic yield surface model for directionally reinforced metal-matrix composites. International Journal of Plasticity, 11(8), 867–894.
Voyiadjis, G. Z., Zolochevsky, A. (1998). Modeling of secondary creep behavior for anisotropic materials with different properties in tension and compression. International Journal of Plasticity, 14(10–11), 1059–1083.
Baca, V., Horak, Z. (2007). Letter to the Editor: Comparison of isotropic and orthotropic material property assignments on femoral finite element models under two loading conditions. Medical Engineering and Physics, 29(8), 935.
Pirohov, Y. N., Tiazhelov, О. A. (2014). The role of bone remodeling process in the development of the femoral head necrosis in injuries and diseases: Conception of pathogenesis (Review of literature). The Journal of Orthopaedics, Traumatology and Prosthetics, (4), 64–72.
Hambli, R. (2014). Connecting mechanics and bone cell activities in the bone remodeling process: An integrated finite element modeling. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2(6), 1–12.
Hambli R., Almitani, K. H., Chamekh, A., Toumi, H., Tavares, J. M. R. (2015). A theory for bone resorption based on the local rupture of osteocytes cells connections: A finite element study. Mathematical Biosciences, 262, 46–55.
Schmitt, M., Allena, R., Schouman, T., Frasca, S., Collombet, J. M., Holy, X., Rouch, P. (2016). Diffusion model to describe osteogenesis within a porous titanium scaffold. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 19(2), 171-179.
Roshan-Ghias, A., Vogel, A., Rakotomanana, L., Pioletti, D. P. (2011). Prediction of spatio-temporal bone formation in scaffold by diffusion equation. Biomaterials, 32(29), 7006–7012.
Roshan-Ghias, A., Terrier, A., Jolles, B. M., Pioletti, D. P. (2014). Translation of biomechanical concepts in bone tissue engineering: from animal study to revision knee arthroplasty. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 17(8), 845–852.
Zolochevsky, A., Grabovskiy, A. V., Parkhomenko, L., Lin, Y. S. (2012). Coupling effects of oxygen surface exchange kinetics and membrane thickness on chemically induced stresses in perovskite-type membranes. Solid State Ionics, 212, 55–65.
Zolochevsky, A., Parkhomenko, L., Kühhorn, A. (2012). Analysis of oxygen exchange-limited transport and chemical stresses in perovskite-type hollow fibers. Materials Chemistry and Physics, 135(2–3), 594–603.
Zolochevsky, A., Grabovskiy A.V., Parkhomenko L., Lin Y.S. (2013). Transient analysis of oxygen non-stoichiometry and chemically induced stresses in perovskite-type ceramic membranes for oxygen separation. Journal of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». Series «Machine-building and CAD », (1), 179–189.
Fletcher, J. W., Windolf, M., Richards, R. G., Gueorguiev, B., Buschbaum, J., Varga, P. (2019). Importance of locking plate positioning in proximal humeral fractures as predicted by computer simulations. Journal of Orthopaedic Research, https://doi.org/10.1002/jor.24235.
Madeo, A., George, D., Lekszycki, T., Nierenberger, M., Rémond, Y. (2012). A second gradient continuum model accounting for some effects of micro-structure on reconstructed bone remodelling. Comptes Rendus Mécanique, 340(8), 575–589.
Scala, I., Spingarn, C., Rémond, Y., Madeo, A., George, D. (2017). Mechanically-driven bone remodeling simulation: Application to LIPUS treated rat calvarial defects. Mathematics and Mechanics of Solids, 22(10), 1976–1988.
Lotz, J. C., Gerhart, T. N., Hayes, W. C. (1991). Mechanical properties of metaphyseal bone in the proximal femur. Journal of Biomechanics, 24(5), 317-329.
Zolochevsky, A. A., Damasevich, S. V. (1990). Method for analysis of nonlinear elastic deformation of shells from materials with tension/compression asymmetry. Papers of Universities. Series «Mechanical Engineering», (5), pp. 30–34.
Zolochevsky, A., Galishin, A., Sklepus, S., Voyiadjis, G. Z. (2007). Analysis of creep deformation and creep damage in thin-walled branched shells from materials with different behavior in tension and compression. International Journal of Solids and Structures, 44(16), 5075–5100.
Zolochevsky, A., Galishin, A., Kühhorn, A., Springmann, M. (2009). Transversal shear effect in moderately thick shells from materials with characteristics dependent on the kind of stress state under creep-damage conditions: Theoretical framework. Technische Mechanik, 29(1), 38–47.
Galishin, A., Zolochevsky, A., Kühhorn, A., Springmann, M. (2009). Transversal shear effect in moderately thick shells from materials with characteristics dependent on the kind of stress state under creep-damage conditions: Numerical modeling. Technische Mechanik, 29(1), 48–59.
Cowin, S. C. (1987). Bone remodeling of diaphyseal surfaces by torsional loads: theoretical predictions. Journal of Biomechanics, 20(11-12), 1111–1120.
Zioupos, P., Currey, J. D., Mirza, M. S., Barton, D. C. (1995). Experimentally determined microcracking around a circular hole in a flat plate of bone: comparison with predicted stresses. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B «Biological Sciences», 347(1322), 383–396.
Zolochevsky, A., Sklepus, S., Hyde, T. H., Becker, A. A., Peravali, S. (2009). Numerical modeling of creep and creep damage in thin plates of arbitrary shape from materials with different behavior in tension and compression under plane stress conditions. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 80(11), 1406–1436.
Güzelsu, N., Saha, S. (1981). Electro-mechanical wave propagation in long bones. Journal of Biomechanics, 14(1), 19–33.
Misra, J. C., Murty, V. V. T. N. (1981). Stress concentration around cracks in long bones. Forschung im Ingenieurwesen, 47(2), 37–0.
Guo, X. D., Cowin, S. C. (1992). Periosteal and endosteal control of bone remodeling under torsional loading. Journal of Biomechanics, 25(6), 645-650.
Zolochevsky, A., Sklepus, S., Galishin, A., Kühhorn, A., Kober, M. (2014). A comparison between the 3D and the Kirchhoff–Love solutions for cylinders under creep-damage conditions. Technische Mechanik, 34(2), 104–113.
Galishin, A. Z., Zolochevsky, A. A., Sklepus, S. M. (2018). Study of creep and damage for a hollow cylinder on the basis of space and refined shell models. Journal of Mathematical Sciences, 231(5), 629–640.
Malanchuk, V. A., Shydlovsky, M. S., Kopchak, A. V. (2010). The experimental study of the process of stress relaxation in mandibular bone. The Journal of Stomatology, (2), 90–96.
Zolochevsky, A., Martynenko, A., Kühhorn, A. (2012). Structural benchmark creep and creep damage testing for finite element analysis with material tension-compression asymmetry and symmetry. Computers and Structures, 100–101, 27–38.
Shydlovsky, M. S., Laksha, A. M., Burianov O. A. (2008). Design of deformation characteristics of system fixation used in treatment of damaged bone and hip joint. Journal of the National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute». Series «Machine-building», (54), 51–62. [in Russian].
Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, серія Медицина має такі умови авторського права:
1. Автори зберігають авторські права та надають журналу право на першу публікацію разом із роботою, яка одночасно ліцензується згідно з ліцензією Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
2. Автори можуть укладати окремі додаткові договірні угоди щодо неексклюзивного розповсюдження опублікованої журналом версії роботи з підтвердженням її початкової публікації в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється та заохочується публікувати свої роботи в Інтернеті до та під час процесу подання, оскільки це може призвести до продуктивного обміну, а також до раннього та більшого цитування опублікованої роботи.
