کاهش سپر تنشی در استخوان ران با استفاده از پروتزهای ران ساخته شده از مواد توزیع شده تابعی

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 4، دوره 36، شماره 3 - شماره پیاپی 37، شهریور 1403، صفحه 49-68   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2024.85554.1218

نویسندگان

هستیار جلیل زاده؛ اکبر الهوردی زاده^* ؛ بهنام داداش زاده

گروه مهندسی مکاترونیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

تعویض کامل مفصل ران دارای مشکلاتی است که یکی از مهمترین آن، پدیدة سپر تنشی و ضعف رشد استخوان است. وقتی مدول الاستیسیته پروتز بالاتر از استخوان باشد، بیشتر بار فیزیولوژیکی به ایمپلنت منتقل می‌شود و استخوان تحلیل می‌رود. راه‌حل به حداقل رساندن آن و تقویت رشد استخوان، استفاده از مواد با مدول الاستیسیتة نزدیک به استخوان برای پروتز است و مواد توزیع شدة تابعی دارای تخلخل نتایج بهتری را نسبت به مواد دیگر نشان داده‌اند. در این مقاله از مدل استوانه و پروتز بر اساس ISO 7206-4 و مدل پروتز و استخوان استفاده شده و با روش اجزاء محدود تحلیل و نتایج تنش‌های وارده، سفتی پروتزها و ریزحرکت‌های بین پروتز و استخوان بررسی شده است. برتری این مطالعه نسبت به پژوهش‌های قبلی استفاده از مدل پروتز و استوانه برای هندسه‌های مختلف و بررسی ریزحرکت‌ها و تأثیر آن در رشد استخوان می باشد. نتایج نشان می دهد که استفاده از پروتزهای FGM متخلخل برای هر هندسة پروتز متفاوت در کاهش سپر تنشی و رشد استخوان موثر می باشد.

کلیدواژه‌ها

پروتز ران؛ مواد توزیع شده تابعی؛ تخلخل؛ سپر تنشی؛ روش اجزا محدود؛ ریزحرکت

مراجع

 [1] D. Garrison, “Osteoarthritis, osteoporosis, and exercise,” Workplace Health & Safety, vol. 60, no. 9, pp. 381-383, (2012).

[2]  P. Kannus, J. Parkkari, H. Sievänen, A. Heinonen, I. Vuori, M. Järvinen, “Epidemiology of hip fractures,” Bone, vol. 18, no. 1, pp. S57-S63, (1996).

 [3] C. O. Yenusah, “Finite Element Study on the Influence of Bone-Implant Interface Condition on Femoral Fracture after Cementless Total Hip Replacement,” Mississippi State University, pp, 6-7, (2017).

 [4] A. Eshra, An experimental set up to investigate non-invasive detection of hip prosthesis loosening, (2004).

[5] S. Arabnejad, B. Johnston, M. Tanzer, D. Pasini, “Fully porous 3^D printed titanium femoral stem to reduce stress-shielding following total hip arthroplasty,” Journal Orthop Research, vol. 35, no. 8, pp. 1774-1783, (2017).

[6] Y. Wang, S. Arabnejad, M. Tanzer, D. Pasini, “Hip Implant Design With Three-Dimensional Porous Architecture of Optimized Graded Density,” Journal of Mechanical Design, vol. 140, no. 11, pp. , (2018).

[7] M. Rezaee, N. Sharafkhani, A. Ch. Khoei, “Electrostatically Actuated FGM Microgripper under the Effect of Thermal Moment,” Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 23, no. 2, pp. 65-80, (2012).

[8] A. A. Oshkour, N. A. Osman, M. Bayat, R. Afshar, F. Berto, “Three-dimensional finite element analyses of functionally graded femoral prostheses with different geometrical configurations,” Materials & Design (1980-2015), vol. 56, no. pp. 998-1008, (2014).

[9] H. S. Hedia, M. A. N. Shabara, T. T. El-Midany, N. Fouda, “A method of material optimization of cementless stem through functionally graded material,” International Journal of Mechanics and Materials in Design, vol. 1, no. pp. 329-346, (2004).

[10] H. Mehboob, F. Tarlochan, A. Mehboob, S-H. Chang, S. Ramesh, W. S. W. Harun, K. Kadirgama, “A novel design, analysis and 3D printing of Ti-6Al-4V alloy bio-inspired porous femoral stem,” Journal of Materials Science: Materials in Medicine, vol. 31, no. pp. 1-14, (2020).

[11] F. Tarlochan, H. Mehboob, A. Mehboob, S-H. Chang, “Influence of functionally graded pores on bone ingrowth in cementless hip prosthesis: a finite element study using mechano-regulatory algorithm,” Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, vol. 17, no. 3, pp. 701-716, (2018).

[11] N. F. Al Zoubi, F. Tarlochan, H. Mehboob, F. Jarrar, “Design of Titanium Alloy Femoral Stem Cellular Structure for Stress Shielding and Stem Stability: Computational Analysis,” Applied Sciences, vol. 12, no. 3, p. 1548, (2022).

[13] A. L. Sabatini, T. Goswami, “Hip implants VII: Finite element analysis and optimization of cross-sections,” Materials & Design, vol. 29, no. 7, pp. 1438-1446, (2008).

[14] H. Gong, L. Kong, R. Zhang, J. Fang, M. Zhao, “A Femur-Implant Model for the Prediction of Bone Remodeling Behavior Induced by Cementless Stem,” Journal of Bionic Engineering, vol. 10, no. 3, pp. 350-358, (2013).

[15] T. A. Enab, “Performance improvement of total knee replacement joint through bidirectional functionally graded material,” International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering IJMME-IJENS, vol. 14, no. 2, pp. 104-113, (2014).

 [16] N. AL Zoubi, N. F. Khaled, “Design of fully porous functionally graded TI-6AL-4V femoral stem for stress shielding and implants stability,” Qatar University, vol. no. pp.51-73, (2022).

[17] D. Tarzjani, M. A. Nazari, M. Mahjoub, “Investigating the effect of tibia bone heterogeneity on natural frequency using modal test and finite element modeling,” Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 35, no. 2, pp. 77-96, (2023).

[18] A. S. Arnold, S. S. Blemker, S. L. Delp, “Evaluation of a deformable musculoskeletal model for estimating muscle–tendon lengths during crouch gait,” Annals of Biomedical Engineering, vol. 29, no. pp. 263-274, (2001).

[19] T. A. Enab, N. Fouda, I. Eldesouky, “Comparison of Functionally Graded Hip Stem Implants with‎ Various Second-Generation Titanium Alloys,” Journal of Applied and Computational Mechanics, vol. 7, no.3, pp. 1315-1323, (2020).

[20] K. Hazlehurst, C. J. Wang, M. Stanford, “Evaluation of the stiffness characteristics of square pore CoCrMo cellular structures manufactured using laser melting technology for potential orthopaedic applications,” Materials & Design, vol. 51, pp. 949-955, (2013).

[21] S. Limmahakhun, A. Oloyede, K. Sitthiseripratip, Y. Xiao, C. Yan, “Stiffness and strength tailoring of cobalt chromium graded cellular structures for stress-shielding reduction,” Materials & Design, vol. 114, pp. 633-641, (2017).

[22] S. E. Alkhatib, F. Tarlochan, H. Mehboob, R. Singh, K. Kadirgama, W. S. B. W. Harun, “Finite element study of functionally graded porous femoral stems incorporating body‐centered cubic structure,” Artificial Organs, vol. 43, no. 7, pp. E152-E164, (2019).