Σχεδιασμός και αριθμητική προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς πρόθεσης ολικής αρθροπλαστικής ισχίου τριών εξαρτημάτων με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων
Creators: name: Βαλαής, Ευθύμιος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Ολική αρθροπλαστική
Πρόθεση ισχίου
Σχεδιασμός και αριθμητική ανάλυση
Total hip arthroplasty
Hip prosthesis
Design and numerical analysis

description: Η παρούσα εργασία αποσκοπούσε στο σχεδιασμό μίας πρόθεσης ολικής αρθροπλαστικής ισχίου και στη διερεύνηση της μηχανικής της συμπεριφοράς. Ο σχεδιασμός της πρόθεσης πραγματοποιήθηκε με βάση συγκεκριμένη ανατομία λαμβάνοντας δηλαδή υπόψη τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου σκελετικού συστήματος. Ο σχεδιασμός εξατομικευμένου εμφυτεύματος εξαλείφει τον κίνδυνο απόρριψης λόγω γεωμετρίας. Η ενδελεχής ανάλυση της μηχανικής συμπεριφοράς της πρόθεσης είναι απαραίτητη για την εύρεση της προσήκουσας γεωμετρίας και υλικού. Ο σκοπός της αριθμητικής προσομοίωσης έγκειται στην αποφυγή γεωμετρίας που προκαλεί υψηλές διεπιφανειακές τάσεις διακυβεύοντας την οστεοενσωμάτωση, αλλά και την αποφυγή της μηχανικής αποφόρτισης των οστών που μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία. Oι μηχανικές ιδιότητες των οστών παραμένουν έως και σήμερα ένα αντικείμενο εμβριθούς μελέτης εξαιτίας της ιδιομορφίας της δομής και σύστασης αυτού. Έχουν προταθεί αρκετά μοντέλα για την περιγραφή των μηχανικών ιδιοτήτων των οστών. Στη συγκεκριμένη εργασία το οστό μοντελοποιήθηκε ως ένα ομογενές ορθοτροπικό υλικό. Επίσης πραγματοποιήθηκε συγκριτική διερεύνηση της επίδρασης του είδους των υλικών στη μηχανική συμπεριφορά του οστού η οποία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση ενός υγιούς οστίτη οστού. Ελλιπής φόρτιση των οστών οδηγεί στο φαινόμενο της μηχανικής αποφόρτισης η οποία οδηγεί σε οστεοπενία, καθιστώντας τα οστά ευάλωτα σε κατάγματα. Εξετάστηκαν τα κράματα CoCrMo και Ti6Al4V ως υλικά κατασκευής του μηριαίου στελέχους και τα κεραμικά υλικά Al2O3 και ZrO2 ως υλικά κατασκευής του κυπελλίου της κοτύλης και του ενθέτου της άρθρωσης. Διαπιστώθηκε πως τα μηριαία στελέχη συντιθέμενα από το κράμα τιτανίου μεταφέρουν μεγαλύτερα φορτία στο οστό και συγκεκριμένα στη διεπιφάνεια διάφυσης - επίφυσης, ενώ αυτά από κράματα κοβαλτίου μεταφέρουν μικρότερα φορτία στο οστό και επάγουν υψηλότερες τάσεις στη διεπιφάνεια μεταξύ του μηριαίου στελέχους και του εγγύς μηρού. Τέλος η επίδραση του κεραμικού υλικού στη συνολική μηχανική συμπεριφορά της ολικής πρόθεσης ισχίου κρίθηκε αμελητέα.
description: This study aimed at designing a total hip prosthesis and investigating its mechanical behavior. The design of the prosthesis carried out taking into consideration a specific anatomy i.e. the geometric characteristics of a specific skeletal system. The tailored design of the implant eliminate the danger of failure due to the geometry. The thorough analysis of the mechanical behavior of the prosthesis is necessary for the optimization of the implant with the proper geometry and material. The aim of the numerical simulation lies at the avoidance of the rejection of the geometry that causes high interfacial stresses imperiling the osseointegration, and avoiding the stress shielding of the bones that can lead to failure as well. The mechanical properties of bones remain a scientific subject of extensive research due to their fastidious structure and properties. Several models have been proposed for the representation of their mechanical properties. In this study, bones are considered as a homogenous orthotropic materials. In addition, an investigation was carried out in order the type of material to be correlated with the mechanical behavior of the bone which plays significant role in maintaining a healthy bone tissue. Inadequate stressing of bones leads to stress shielding which in turn invokes osteoporosis constituting the bones prone to fractures. The CoCrMo and Ti6Al4V were investigated as materials for the fabrication of the femoral stem and the ceramics Al2O3 and ZrO2 as materials for the fabrication of the socket shell and the shell liner. The conclusions drawn from this study were that the femoral heads comprised of the titanium alloy transfer more loads on the bones and more specifically on the interface between the diaphysis and the epiphysis, whilst the parts comprised by the cobalt alloys transfer lower loads on the bones and engender higher stresses on the interface between the femoral stem and the proximal femur. Ultimately, the effect of the type of the ceramic material on the overall mechanical behavior of the total hip prosthesis was considered as insignificant.