Розробка шляхів і методики проектування та біомеханічного обґрунтування накісткових конструкцій для остеосинтезу

Abstract

Дисертація присвячена розробці шляхів та методик проектування накісткових конструкцій для остеосинтезу. Розроблено методики проектування нових конструкцій для накісткового остеосинтезу довгих кісток, проведено теоретичну та експериментальну оцінку міцності та жорсткості плоских накісткових пластин і пластин з багатоплощинною фіксацією; запропоновано та створено нові малоконтактні демпферні конструкції для накісткового остеосинтезу, проведено обґрунтування форм та розмірів нових розроблених та запропонованих накісткових конструкцій фіксаторів; запропоновано методику визначення кількості та розмірів фіксуючих елементів накісткових конструкцій при використанні полімерного осердя. Створено обладнання і методики експериментальної оцінки міцності та жорсткості металевих накісткових конструкцій фіксуючих систем в умовах дії простих та складних видів навантажень, що дає можливість проводити проектування біомеханічно обґрунтованих біотехнічних систем із необхідними властивостями міцності та жорсткості. В роботі проведено математичне моделювання напружено-деформованого стану біотехнічних систем "кістка-фіксатор" при різних видах навантажень, оцінено параметри напружено-деформованого стану за припущень про ізотропну та анізотропну структури кістки, розроблено модель пошкодженої кістки при поперечному діафізарному переломі, синтезованому металевою пластиною; оцінено напруження та переміщення, що виникають у матеріалі кістки та пластини при різних видах деформацій – стиску, згину та кручення. Диссертация посвящена разработке путей и методик проектирования накостных конструкций для остеосинтеза. Разработаны методики проектирования новых конструкций для накостного остеосинтеза длинных костей. Проведена сравнительная теоретическая и экспериментальная оценка прочности и жёсткости плоских накостных пластин и пластин с многоплоскостной фиксацией. В работе разработаны и предложены новые накостные конструкции фиксаторов с Z- образным и волнообразным демпферами, проведено обоснование форм и размеров этих конструкций. Исследования деформативных характеристик таких фиксаторов показали, что использование пластин с волнообразным демпфером более целесообразно, поскольку в этом случае деформативность биотехнической системы «кость-фиксатор» наиболее приближена к соответствующим параметрам целой неповреждённой кости. В работе проведено биомеханическое обоснование технологии лечения, при которой остеосинтез накостной металлической пластиной дополняют введением в костномозговой канал полимерного сердечника. В работе предложена методика определения необходимого количества и размеров фиксирующих элементов накостных конструкций при использовании полимерного сердечника и без него. Показано, что использование полимерного сердечника у пациентов пожилого возраста значительно увеличивает силу вырывания фиксирующих винтов из кортикального слоя кости. Создано и запатентовано специальное оборудование и методики экспериментальной оценки прочности и жёсткости металлических накостных конструкций фиксирующих систем в условиях действия простых и сложных видов нагрузки, что позволяет проводить проектирование биомеханически обоснованных биотехнических систем с необходимыми параметрами прочности и деформативности. В работе разработаны и предложены двухплоскостные конструкции для остеосинтеза, которые имеют дополнительную пластину с амортизирующими элементами и обеспечивают стабильную фиксацию отломков кости. Доказано, что малоконтактные фиксаторы с многоплоскостной фиксацией намного лучше сопротивляются деформациям изгиба и кручения по сравнению с одноплоскостными фиксаторами. В работе проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния биотехнических систем «кость-фиксатор» при различных видах нагрузки, оценены параметры напряженно-деформированного состояния при гипотезах про изотропную и анизотропную структурах кости. Разработана модель повреждённой кости при поперечном диафизарном переломе, синтезированном металлической пластиной. Оценены напряжения и перемещения, которые возникают в материале кости и пластины при различных деформациях – сжатии, изгибе и кручении. The dissertation deals with the development of ways and techniques for designing of extraosseous osteosynthesis devices. Methods for designing of new devices for long bone extraosseous osteosynthesis are developed, theoretical and experimental evaluation of the strength and the rigidity of flat extraosseous plates and multiplanar fastening plates was made; new limited contact damping devices for extraosseous osteosynthesis were suggested and constructed, substantiation of the forms and sizes of the developed and suggested designs of extraosseous fixation devices was made; methods for determination of quantity and size of extraosseous device fixing elements with polymeric core were suggested. Equipment and methods were developed for experimental evaluation of strength and rigidity of metal extraosseous fixation system designs under influence of simple and complex loads allowing designing of biomechanically founded biotechnical systems with necessary strength and rigidity. Mathematical modelling of deflected mode of the biotechnical systems ‘bone - fixation device’ under various load types are made in the dissertation; characteristics of the deflected mode for isotropic and anisotropic bone structures are evaluated, the model of damaged bone with transverse diaphyseal fracture fixed with a metal plate was developed; stresses and movement in bone and plate material at various deformation types (compression, flexion and twisting) were evaluated.