Mathematical model of mechanical testing of bone-implant (4.5 mm LCP) construct
Loading...
Date
2012-09-17
ORCID
Advisor
Referee
Mark
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of Veterinary and Pharmaceutical Sciences in Brno
Altmetrics
Abstract
The study deals with the possibility of substituting time- and material-demanding mechanical testing of a bone defect fixation by mathematical modelling. Based on the mechanical model, a mathematical model of bone-implant construct stabilizing experimental segmental femoral bone defect (segmental ostectomy) in a miniature pig ex vivo model using 4.5 mm titanium LCP was created. It was subsequently computer-loaded by forces acting parallel to the long axis of the construct. By the effect of the acting forces the displacement vector sum of individual construct points occurred. The greatest displacement was noted in the end segments of the bone in close proximity to ostectomy and in the area of the empty central plate hole (without screw) at the level of the segmental bone defect. By studying the equivalent von Mises stress SIGMAeqv on LCP as part of the tested construct we found that the greatest changes of stress occur in the place of the empty central plate hole. The distribution of this strain was relatively symmetrical along both sides of the hole. The exceeding of the yield stress value and irreversible plastic deformations in this segment of LCP occurred at the acting of the force of 360 N. These findings are in line with the character of damage of the same construct loaded during its mechanic testing. We succeeded in creating a mathematical model of the bone-implant construct which may be further used for computer modelling of real loading of similar constructs chosen for fixation of bone defects in both experimental and clinical practice.
Studie se zabývá možností náhrady časově i materiálově náročného mechanického testování implantátu fixujícího defekt kosti matematickým modelováním. Na základě mechanického modelu byl vytvořen matematický model segmentálního ostektomického defektu diafýzy femuru miniaturního prasete fixovaného přemosťující 4,5 mm LCP (konstrukce kost-implantát), který byl následně computerově zatížen silami působícími paralelně s dlouhou osou konstrukce. Účinkem působících sil došlo k vektorovému posunu jednotlivých bodů konstrukce. Největší posun byl zaznamenán v koncových úsecích kosti v těsné blízkosti ostektomie a v místě centrálního otvoru LCP nevyplněného šroubem přemosťujícího defekt. Studií průběhu ekvivalentního von Misesova napětí SIGMAeqv na LCP, jakožto součásti testované konstrukce, bylo zjištěno, že k největším změnám napětí dochází v místě centrálního otvoru LCP nevyplněného šroubem. Rozložení tohoto napětí bylo relativně souměrné po obou stranách otvoru. K překročení napětí na mezi kluzu a nevratným plastickým deformacím v tomto úseku LCP došlo při působení síly 360 N. Tato zjištění odpovídají charakteru poškození stejné konstrukce při zátěži během jejího mechanického testování. Podařilo se vytvořit funkční matematický model konstrukce kost-implantát, který bude možno dále využívat pro computerovou modelaci reálného zatížení podobných konstrukcí zvolených k fixaci kostních defektů v experimentu i v klinické praxi.
Studie se zabývá možností náhrady časově i materiálově náročného mechanického testování implantátu fixujícího defekt kosti matematickým modelováním. Na základě mechanického modelu byl vytvořen matematický model segmentálního ostektomického defektu diafýzy femuru miniaturního prasete fixovaného přemosťující 4,5 mm LCP (konstrukce kost-implantát), který byl následně computerově zatížen silami působícími paralelně s dlouhou osou konstrukce. Účinkem působících sil došlo k vektorovému posunu jednotlivých bodů konstrukce. Největší posun byl zaznamenán v koncových úsecích kosti v těsné blízkosti ostektomie a v místě centrálního otvoru LCP nevyplněného šroubem přemosťujícího defekt. Studií průběhu ekvivalentního von Misesova napětí SIGMAeqv na LCP, jakožto součásti testované konstrukce, bylo zjištěno, že k největším změnám napětí dochází v místě centrálního otvoru LCP nevyplněného šroubem. Rozložení tohoto napětí bylo relativně souměrné po obou stranách otvoru. K překročení napětí na mezi kluzu a nevratným plastickým deformacím v tomto úseku LCP došlo při působení síly 360 N. Tato zjištění odpovídají charakteru poškození stejné konstrukce při zátěži během jejího mechanického testování. Podařilo se vytvořit funkční matematický model konstrukce kost-implantát, který bude možno dále využívat pro computerovou modelaci reálného zatížení podobných konstrukcí zvolených k fixaci kostních defektů v experimentu i v klinické praxi.
Description
Citation
Document type
Peer-reviewed
Document version
Published version
Date of access to the full text
Language of document
en