異なる厚さと材質の頭蓋骨インプラントの機械的特性

異なる厚さと材質の頭蓋骨インプラントの機械的特性
この投稿はLittle Soft Bearによって2021-8-11 15:06に最後に編集されました。

寄稿者: Hui Yijun Wang Ling 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

3D プリント技術とその全体的なパフォーマンスの急速な発展は、製造、教育、ヘルスケアなどの多くの分野に革命をもたらしました。この技術により、骨移植医療(頭蓋形成術)の分野において、より多くの治療オプションと品質の向上がもたらされます。現在までに、大きな頭蓋欠損を持つ患者にとって特に重要な要因、すなわちインプラントの形状、位置、機械的負荷特性、およびインプラントと骨の界面の形状の役割をシミュレートし評価した研究はわずかしかありません。臨床およびエンジニアリングの経験に基づくと、このような欠陥に関連する頭蓋インプラントの生体力学的特性は、主にインプラントの材質とインプラントの厚さという 2 つの要因によって影響を受けます。

チェコ共和国のブルノ工科大学は、有限要素計算モデリング法と統計的評価を使用して、さまざまな厚さと材質の頭蓋インプラントの機械的挙動を研究しました。モデルには、固定ミニプレートとミニネジの詳細な形状が含まれていました。

図 1 に示すように、頭蓋骨、頭蓋骨インプラント、マイクロプレート、マイクロスクリューで構成される解剖モデルが構築され、3 つの異なる頭蓋骨インプラント材料 (PMMA、PEEK、Ti6Al4V) が使用されました。


図 1 モデルの形状: a) 小さい欠損の粗いモデル (円形、2412 mm2)、b) 大きい欠損の粗いモデル (楕円形、8030 mm2)、c) 図 2 に示すサブモデルに 3 つの力が作用: インプラントに対して垂直に作用する頭蓋内圧 15 mmHg + 外力 5 kg (ICP + 力と表示)、インプラントの中心を通って +45 度の角度で作用する頭蓋内圧 15 mmHg + 外力 5 kg (ICP + 力 (+45) と表示)、インプラントの中心を通って 45 度の角度で作用する頭蓋内圧 15 mmHg + 外力 5 kg (ICP + 力 (-45) と表示)。モデルのひずみと機械的応力を計算します。


図 2 荷重シナリオの結果 図 3 に示すように、PMMA および PEEK インプラントの変形振幅は、同じ厚さの Ti6Al4V インプラントの変形振幅よりも常に大きくなります。すべての構成の中で、最も薄い PMMA インプラント構成では両方のマイクロプレートで最も高い応力が生じますが、最も厚いチタン合金インプラントではマイクロプレートで最も低い応力が生じます。したがって、インプラント材料のヤング率と構造の厚さはインプラントのたわみに大きな影響を与え、ヤング率の影響は厚さの影響よりも大きいと結論付けることができます。頭蓋骨欠損の大きさはインプラントのたわみに大きな影響を与えましたが、その影響はヤング率や厚さの影響よりもはるかに低かったです。


図3 粗いモデルにおける外部荷重下でのPMMA、PEEK、チタン合金インプラントの変位[mm]の比較(50倍の倍率)。上段: 小さな欠陥 (3412mm2); 下段: 大きな欠陥 (8030mm2)
参考文献:
Marcián P、Narra N、Borák Let al。異なる厚さと材料特性を持つ頭蓋インプラントの生体力学的性能:有限要素法による研究[J]。Computers in Biology and Medicine、2019、109:43-52。
力学、頭蓋骨、医療、パフォーマンス

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