Obrabotka Metallov 2013 No. 4

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 4 (61) 2013 93 ТЕХНОЛОГИЯ структура не вызывает скапливания биологиче- ских жидкостей в области расположения имплан- тата и не нарушает естественные для организма биологические процессы. Кроме того, керамика способна сохранять свои биохимические свой- ства, исключая протекание химических реакций, приводящих к снижению качества вживления, в условиях длительного воздействия агрессивной среды [2]. Основным фактором, сдерживающим ис- пользование керамических имплантатов, явля- ется необходимость в тщательной проработке геометрии изделий, учитывающей особенности поведения керамического материала при реа- лизации различных схем нагружения. С учетом вышеизложенного целью данной работы явля- ется оптимизация конструкции имплантатов, используемых в хирургии для стабилизации по- звоночного столба, изготавливаемых методами порошковой металлургии из композиционной керамики на основе оксида алюминия (Al 2 O 3 ). Теория и методы Для определения оптимальной конструкции керамического эндофиксатора были проанали- зированы варианты изделий-аналогов, представ- ленных на рынке. Наиболее характерной формой обладают эндофиксаторы Ulrich medical Сerv-X [3] и Zimmer Puros-S [4]. Твердотельные модели данных изделий, созданные на основании от- крытой информации, были использованы при моделировании напряженно-деформированного состояния (рис. 1). Определение максимальных напряжений и их распределение для различных геометрий имплантатов-аналогов было выпол- а б Рис. 1. Модели эндофиксаторов Ulrichmedical Cerv-X ( а ) и Zimmer Puros-S ( б ) нено с использованием метода конечных эле- ментов в программном пакете SolidWorks. Согласно медицинским требованиям к дан- ному типу имплантатов, они должны быть вы- полнены из материала, обладающего пористо- проницаемой структурой. Поэтому в качестве модельного материала в расчетах использовали пористую керамику системы Al 2 O 3 -ZrO 2 [5], об- ладающую пористостью ≈ 38 %, плотностью 2,6 г/см 3 и водопоглощением 14,5 %. При про- ведении моделирования учитывали упругие константы отмеченной керамики, которые со- ставляют: модуль Юнга E ≈ 70 ГПа, коэффици- ент Пуассона μ = 0,27. За основу расчетной схемы было выбра- но одноосное нагружение изделия. Модель на- гружения имплантатов включала основание, эндофиксатор и нагружатель (рис. 2). Для обе- спечения плотного контакта с моделью имплан- тата Zimmer Puros-S верхний нагружатель имеет скошенную грань (рис. 2, б ). На нижней грани основания моделировалось неподвижное закре- пление. Исходя из того что средний вес головы человека равен 80 Н и учитывая динамическое воздействие (коэффициент динамичности 4), осевая нагрузка была принята равной 320 Н. Так как геометрия имплантата содержит много мелких деталей, было применено существенное сгущение сетки модели кейджа и на контакти- рующих с ним поверхностях. Для нагружателя и основания были выбраны механические харак- теристики, соответствующие губчатой кости по- звонков человека [6]. В результате расчета были получены распределения эквивалентных напря- жений в эндофиксаторах.