Numeryczna symulacja formowania i analiza właściwości mechanicznych beleczek kostnych istoty gąbczastej

Abstract

Szerokie możliwości stosowania implantów kostnych formułują nowe problemy związane z ich odpowiednim projektowaniem i doborem dla konkretnych pacjentów. Podstawowym celem zaprezentowanych badań było opracowanie numerycznej symulacji adaptacji funkcjonalnej tkanki kostnej na poziomie pojedynczych beleczek, określenie ich rozkładu oraz wyznaczenie właściwości mechanicznych uzyskanych struktur. Oparto się na znanym literaturze algorytmie, dzięki któremu, z wykorzystaniem oprogramowania do obliczeń metodą elementów skończonych, uzyskano struktury przypominające beleczki kostne. W dalszym postępowaniu dokonano sprawdzenia właściwości mechanicznych i porównano je z danymi literaturowymi. Uzyskano prawidłowe wyniki, co pozwala przypuszczać, że użyty algorytm funkcjonuje prawidłowo i z jego wykorzystaniem można prowadzić dalsze prace badawcze.
Autorzy: Aleksandra KIEŁBOWICZ, Jakub SŁOWIŃSKI

1. W PROWADZENIE

Istnieje szeroko znany w problematyce klinicznej problem polegający na niedopasowaniu pod względem mechanicznym części dołączonych do organizmu mających współpracować z układem szkieletowym. Implanty wprowadzone w kość, oprócz pełnienia swej roli, powodują także poprzez zmianę warunków obciążeń powstawanie szeregu negatywnych zjawisk, takich jak np. stress-shielding, który prowadzi do osteolizy kości i w następstwie do obluzowania wszczepów kostnych.

Dlatego, by poznać i skutecznie przeciwdziałać tym problemom, należy badać strukturę kości już na poziomie mikroskali, czyli pojedynczych beleczek, by dopiero doświadczenia stamtąd wyniesione móc zastosować do wyższych strukturalnie jednostek oraz całej kości i jej zachowania oraz współpracy z elementami do niej wprowadzonymi.

Jednymi z pierwszych badających to zagadnienie byli Harrie Weinans [3] oraz Rik Huiskes [2]. Zaproponowany przez Weinansa algorytm umożliwiający numeryczną symulację remodelingu na poziomie pojedynczych beleczek pozwala w rezultacie osiągnąć struktury wizualnie przypominające rzeczywiste struktury trabekularne, co już wielokrotnie przez inne zespoły badawcze zostało potwierdzone.

Nowym, nieporuszanym jeszcze zagadnieniem jest sprawdzenie czy uzyskane w wyniku symulacji układy posiadają właściwości mechaniczne równie zbliżone do rzeczywistych. W zakres badania weszło analiza trzech struktur uzyskanych na drodze symulacji z wykorzystaniem algorytmu Weinansa. Weryfikacji właściwości mechanicznych dokonano poprzez ściskanie uzyskanych modeli i wyliczenie modułu sprężystości próbek oraz porównanie z danymi literaturowymi.