Mathematical and computer modeling of a new endoprosthesis with a carbon-carbon composite for interbody fusion of a lumbar spine

Mykola Korzh,Olexandr Perfiliev,Andrey Popov,Volodymyr Radchenko,Oleg Veretelnik,Iryna Timchenko,Mykola Tkachuk,Volodymyr Kutsenko

doi:10.15674/0030-59872020146-53

Abstract

Endoprostheses for interbody fusion should have not only biocompatibility and high strength characteristics, but also good visualization with additional research methods (CT, MRI). One such material is carbon. Aim: using mathematical modeling (the finite element method) to develop a model of the interbody prosthesis from a carbon-carbon composite and evaluate the stress-strain state of the vertebral body-implant system.Methods: models created in SolidWorks software. 18 design schemes with endoprostheses from a carbon-carbon composite were developed and studied. Bending load was carried out by angular displacements (2°), compressive — by applying a force of 500 N to the upper cubic element. Additional symmetry conditions were also simulated.Results: a parametric model of the biomechanical system of the lumbar spine was constructed. The smallest equivalent stresses were obtained in the design scheme M17, and the largest — in M13. In the bone elements of the systems, they did not exceed the ultimate strength limits for cortical (160 MPa) and cancellous (18–22 MPa) bones. Contact pressure and displacement are determined for all design schemes.Conclusions: as a result of the numerical values and distribution fields of the components of the stress-strain state in the elements of the studied systems, it was found that the use of the proposed endoprosthesis made of a carbon-carbon composite, the geometric parameters of which correspond to the design scheme M17, is effective for achieving additional stabilization in the system «vertebral body – implant».

Highlights

Эндопротезы для межтелового спондилодеза должны обладать не только биосовместимостью и высокими прочностными характеристиками, но и хорошей визуализацией при дополнительных методах исследования (КТ, МРТ)
models created in SolidWorks software
The smallest equivalent stresses were obtained in the design scheme M17

Summary

Матеріал і методи

У роботі вивчено напружено-деформований стан спрощеної геометричної моделі поперекового відділу хребта зі встановленим ендопротезом із вуглецю (рис. 1). У роботі вивчено напружено-деформований стан спрощеної геометричної моделі поперекового відділу хребта зі встановленим ендопротезом із вуглецю У процесі проведення дослідження спрощено модельовані хребці у вигляді кубічних елементів із чіткою межею розподілу на коркову та губчасту тканини. У процесі побудови скінченно-елементних моделей використано 20-вузловий кубічний елемент (SOLID186) і 10-вузловий тетраедр (SOLID187). Побудову параметричних моделей виконано в програмному продукті Ansys Workbench у спеціалізованому модулі Design Modeler [12]. Після створення геометричних моделей їх передали в інший спеціалізований модуль Mechanical для скінченно-елементного аналізу Ansys Workbench [13, 14]. Далі побудовано комбіновані скінченноелементні моделі, присвоєні відповідні фізикомеханічні характеристики використовуваних матеріалів, відтворено прикладання навантаження та закріплення, визначено умови контактної взає модії елементів біомеханічної системи та додаткової симетрії. Використовувані програмні пакети були задіяні на ресурсах програмного апаратного комплексу, який створений в НТУ «ХПІ» у центрі комп’ютерного моделювання «ТЕНЗОР». Відмінності моделей полягали в їхніх геометричних параметрах, числові значення яких

Коефіцієнт Пуассона ν

Fixed Support

Список літератури

ДО УВАГИ СПЕЦІАЛІСТІВ