ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПАТЕНТНО-ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ 9
1.1 Металлические материалы в имплантологии 9
Е2 Титан и титановые сплавы 14
1.3 Пористые структуры в имплантологии 16
2 СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ПОРИСТЫХ
ИМПЛАНТАТОВ 32
2.1 Описание процессов аддитивного производства 32
2.2 Описание испытания пористых материалов 38
3 ОПИСАНИЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОСАДКУ ПОРИСТОГО
ИМПЛАНТАТА, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА АДДИТИВНЫМ МЕТОДОМ 47
3.1 Материал и методика исследования 47
3.2 Анализ результатов исследования 49
4 КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ
ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА 54
4.1 Постановка задачи 55
4.2 Анализ полученных результатов 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А 70 Статья Loginov Y., Stepanov S., Khanykova C. Inhomogeneity of deformed state during compression testing of titanium implant // МАТЕС Web of Conferences 132, 03009 (2017) DOI: 10.1051/matecconf/201713203009 70
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 75
Статья Loginov Y., Stepanov S., Khanykova E. Effect of Pore Architecture of Titanium Implants on Stress-Strain State upon Compression // Solid State Phenomena. 2017. V. 265. P. 606-610 75
Актуальность темы исследования. В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2014 года № 301 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологии» на 2013 -2020 года», федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2012-2020 годы», приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации являются:
• безопасность и противодействие терроризму;
• индустрия наносистем;
• информационно-телекоммуникационные системы;
• науки о жизни;
• перспективные виды вооружения, военной и специальной техники; рациональное природопользование;
• транспортные и космические системы;
• энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.
Металлургия не входит в перечень приоритетных направлений. Однако «науки о жизни» предполагают широкий спектр исследований, в том числе те, в которых металлургическая отрасль будет играть основную роль. Разработка титановых имплантатов представляет собой такое исследование.
В связи с этим, исследования, направленные на разработку титановых имплантатов методами аддитивных технологий и их испытания следует считать актуальными.
Разработка и производство медицинских изделий являются одними из наиболее интенсивно развивающихся направлений научно-технической деятельности. Титан и его сплавы в медицине известны достаточно давно. За последнее время интерес к данной области использования титана значительно возрос. В частности это связано с прогрессом в современной хирургии в области эндо- и остеопротезирования. На тему применения титановых сплавов в медицинских целях написано достаточно много литературы и статей, немало патентов обосновывающих логичность применения титана в виде осетоимплантатов, авторы статей в своих работах сравнивают механические характеристики кости и титановых сплавов. Все чаще исследователи обращаются и к методам аддитивного производства из титана. В иностранных патентах представлены отдельные исследования по разработке и пористых структур, российские авторы предлагают имплантаты разрабатывая их архитектуру основываясь на скорости остеоинтеграции. Исследований структур титановых имплантатов, с точки зрения их механических свойств, важных для успешной остеоинтеграции и меньшего повреждения окружающих тканей, практически не встречается.
Целью работы является исследование титановых имплантов, изготовленных методами аддитивных технологий и их испытание.
Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:
• изучить методы аддитивных технологий;
• описать испытание на сжатие пористых материалов для имплантатов;
• провести конечно-элементное моделирование процесса осадки ячеистого материала.
Научную новизну выпускного проекта представляет анализ результатов компьютерного моделирования процесса осадки ячеистого материала.
В ходе патентно-литературного обзора были рассмотрены некоторые материалы, применяемые в имплантологии, титан и титановые сплавы, рассмотрены их механические характеристики, проведен анализ патентов рассматривающих пористые и ячеистые структуры.
Для изготовления биоинтегрируемых имплантатов могут применять пористые покрытия, недостатком такого способа заключается в разнице модулей упругости основы имплантата и кости. Поровое пространство в теле имплантата может достигаться разными способами. Чаще всего встречается способ аддитивного производства, который позволяет сократить сроки изготовления изделия, увеличить вариативность архитектур, форм и видов имплантатов. Ячеистые структуры, которые проще всего изготавливать именно аддитивными методами рассматриваются в работах с точки зрения скорости интеграции медицинского изделия и воздействия концентраторов напряжений.
Так как поведение пористых металлов отличается от обычных плотных металлов, был разработан международный стандарт, описывающий метод испытаний для пористых металлов. Данный международный стандарт определяет метод испытаний на сжимающие свойства пористых и ячеистых металлов с пористостью 50% или более. Испытание является методом оценки свойств пористых и ячеистых металлов.
По итогам выполненного исследования можно заключить, что поставленные цели и задачи выполнены в полном объеме:
Е Рассмотрены две технологии аддитивного производства, использующие в качестве основного материала металлический порошок. Технологии отличны методом подачи материала, в одной из технологий порошок подается напрямую к месту построения, во второй его разравнивает укладочный ролик перед сплавлением.
2. Описано испытание на сжатие пористых материалов для имплантатов. В эксперименте выявлены характерные точки на диаграмме нагружения, описаны характеристики, заданные стандартом. Так же на основе видеосъемки, записи перемещений и энергосиловых параметров зафиксированы связи формоизменения ячеек и перемычек имплантата с условным напряжением нагружения. Отмеченная немонотонность вызывает немонотонность поведения графика на диаграмме нагружения в координатах «деформации - напряжения» с наличием локальных экстремумов.
3. С помощью программного комплекса АВАриБ методом конечных элементов осуществлена постановка задачи определения напряженно- деформированного состояния при сжатии имплантата сетчатой архитектуры, выполненного из титанового сплава. Сформулированы граничные условия и физические уравнения связи напряжений и деформаций. Выполнены расчеты интенсивности напряжений, степени деформации, среднего напряжения. Выполнена сборка конструкции из отдельных элементов. Осуществлена оценка расположения опасных сечений конструкции.
