이중 3D 모델의 접촉 압력 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3564(2023) 이 기사 인용

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고관절 보철물은 인체의 고관절 기능을 대체하는 데 사용됩니다. 최신 이중 가동성 고관절 보철물에는 라이너 구성 요소에 대한 덮개 역할을 하는 외부 라이너의 추가 구성 요소가 있습니다. 보행 주기에 따른 이중 이동성 고관절 보철물의 최신 모델에서 발생하는 접촉 압력에 대한 연구는 이전에 수행된 적이 없습니다. 이 모델은 내부 라이너가 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로, 외부 라이너와 비구 컵이 316L 스테인레스 스틸(SS 316L)로 만들어졌습니다. 유한 요소 방법을 사용한 시뮬레이션 모델링은 이중 이동성 고관절 보철물의 기하학적 매개변수 설계를 연구하기 위한 암시적 솔버를 사용하여 정적 하중으로 간주됩니다. 본 연구에서는 비구컵 부품에 30°, 40°, 45°, 50°, 60°, 70°의 다양한 경사각을 적용하여 시뮬레이션 모델링을 수행하였다. 22mm, 28mm, 32mm에서 사용된 대퇴골두 직경의 변화를 사용하여 대퇴골두 기준점에 3차원 하중을 가했습니다. 내부 라이너의 내부 표면, 외부 라이너의 외부 표면 및 비구 컵의 내부 표면에 대한 결과는 경사각의 변화가 라이너 부품의 최대 접촉 압력 값에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 45°의 경사각을 가진 비구 컵은 연구된 다른 경사각 변화보다 접촉 압력을 더 많이 줄일 수 있습니다. 또한 대퇴골두 직경이 22mm일수록 접촉압력이 증가하는 것으로 나타났다. 45° 경사의 비구컵 구성과 더 큰 직경의 대퇴골두를 사용하면 마모로 인한 임플란트 실패 위험을 최소화할 수 있습니다.

10년 사용1 동안 탈구 위험을 최대 0.9%까지 감소시키고 전반적인 안정성과 운동 범위를 증가시키기 위해 이중 가동성 고관절 보형물이 도입되었습니다2,3. 일상적으로 사용시 운동범위를 증가시키기 위해 제작되었습니다4. 확장된 운동 범위는 고관절 보철물의 충돌을 방지할 수 있습니다. 기존의 이중 가동성 고관절 보철물 모델에서 발생하는 두 가지 일반적인 상호 작용은 라이너가 있는 비구컵과 대퇴골두가 있는 라이너로, 서로 다른 두 위치에서 마모를 유발합니다5,6.

초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 특히 고관절 치환 수술용 베어링 재료로 널리 사용되는 재료입니다7,8. 의료 분야에 사용되는 UHMWPE 유형은 분자량이 3.5~6백만 g/mol이고 결정화도가 50~55%9입니다. 또한 금속은 정형외과 분야의 임시 장비와 영구 장비 모두에서 널리 사용됩니다. 영구 정형외과 장비(보철물)에 금속을 사용하는 것은 금속 파편이 신체 조직, 특히 뼈와 상호 작용할 때 발생할 수 있는 화학 반응을 고려하는 것과 분리될 수 없습니다10,11,12.

Adam et al.13은 두 가지 종류의 마모가 있음을 발견했습니다. 볼록한 표면 상호작용으로 인한 마모는 오목한 표면에서 발생하는 마모보다 더 큰 값을 갖습니다. 골용해 및 금속증은 이중 가동성 고관절 보철물 부품에서 발생하는 마모로 인한 잔해로 인해 발생합니다14,15. 폴리에틸렌 마모 잔해의 양을 줄이기 위해 금속으로 만들어진 커버 구성 요소를 라이너에 추가하여 폴리에틸렌 볼록 표면에 큰 마모가 발생하지 않도록 했습니다. 게다가, Saputra et al.16의 이중 가동성 고관절 보철물 모델은 전체 폴리에틸렌 라이너를 덮는 추가 외부 라이너 구성 요소를 가지고 있습니다.

이중 이동성 고관절 보철물의 마모를 평가하는 실험 및 임상 테스트에는 더 높은 비용, 정교한 장비 및 더 긴 기간이 필요합니다17,18,19. 실험 및 임상 연구에서 직면한 장애물을 피하기 위해 유한 요소법을 기반으로 한 계산 시뮬레이션이 전략적 옵션이 될 수 있습니다. 이 접근법은 또한 다양한 매개변수를 갖춘 이중 가동성 고관절 보철물 개발에 대한 초기 연구의 기초가 될 수 있으므로 추가 실험 및 임상 테스트를 계속하기 전에 시행착오 노력에 낭비되는 비용과 에너지를 평가할 수 있습니다. 연구. 전산 시뮬레이션은 이중 이동성 고관절 보철물에서 연구된 다양한 매개변수를 사용하여 접촉 압력을 예측하고 이를 줄이기 위한 노력에 중요한 역할을 합니다. 접촉 압력은 임플란트 실패의 원인 중 하나인 마모와 선형 관계를 갖기 때문에 중요한 측면입니다22,23.