Muskuloskeletární systém a jeho náhrady

Výzkum tkání, orgánových struktur a biomateriálů

Simulace cyklického zatěžování kolenní náhrady s důrazem na evaluaci cyklického stavu napjatosti v tibiálním platě

Popis projektu:

Závilost mezi skutečným napětím [MPa] a logaritmickou deformací [-] během tahové zkoušky plochých vzorků UHMWPE

Závislost zatěžující síly [N] na posuvu [mm] během standardizované zkoušky miniaturních vzorků panenského UHMWPE dle ASTM F 2183-02 (Small Punch Test)

Tibiálním platem se nazývá výměnná artikulační vložka vyrobená z polyetylenu s ultra-vysokou molekulární hmotností (UHMWPE), která je součástí tibiální komponenty totální kolenní náhrady. Z řady experimentů a zkušeností s kloubními náhradami velkých kloubů (koleno, kyčel) víme, že limitujícím faktorem životnosti celé náhrady je právě artikulační vložka z UHWMPE. U komponent vyrobených z UHMWPE rozeznáváme módy poškozování jako je geneze otěrových částic, delaminace a pitting. Poslední dva uvedené módy, tj. delaminace a pitting, souvisí především s únavou indukovanou mechanickým zatěžováním a degradací materiálu v oblasti artikulačních ploch. Z analýzy kinematiky, způsobu zatěžování a geometrie náhrady daného kloubu můžeme pro daný kloub určit dominatní mód poškozování, např. u náhrady kyčelního kloubu dominuje otěr, kdežto u náhrady kolenního kloubu, kde kinematické poměry i geometrie jsou komplexnější, se stávájí významnými módy spojené s mechanicky indukovanou únavou. Cílem projektu je dynamická simulace zatěžovaní kolenního kloubu s důrazem na věrné modelování materiálové odezvy UHWMPE. Jako nástroj je využívana metoda konečných prvků, vlastní implementace do MKP visko-elastického materiálového modelu UHWMPE vytvořeného kolektivem autorů z USA včele s J.S. Bergströmem [Bergström JS, Biomaterials. 2003, 25(1),2171-2178] a dále řada experimentů nezbytných pro získání relace mezi skutečným napětím a logaritmickou mírou deformace.

Ing. Pavel Růžička, Ph.D.

Řešitelé:

Ústav makromolekulární chemie AV ČR v.v.i. (RNDr. Miroslav Šlouf Ph.D.)

Spolupráce:

Literatura:

Bouda T., et al. Simple tensile test of medical grade UHMWPE to rupture with utilization of 3D optical corelation system. In Abstract book – 2nd Workshop Biotribology – Bringing Engineering and Medicine. Braga : Universidade do Minho, 2009. s. 80.
Bouda, T. - Růžička, P. - Konvičková, S.: Implementace konstitutivního modelu UHMWPE do prostředí implicitního řešiče Abaqus 6.9 s využitím user subrutiny UMAT. In Výpočty konstrukcí metodou konečných prvků 2010. Praha: ČVUT FS, Ústav mechaniky, Odbor pružnosti a pevnosti, 2010, díl 1, . ISBN 978-80-01-04670-8.