Научная статья на тему 'Оценка прочности винта используемого для блокирующего интрамедулярного остеосинтеза'

Оценка прочности винта используемого для блокирующего интрамедулярного остеосинтеза Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

CC BY
367
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВИНТ / СТЕРЖЕНЬ / УСИЛИЕ / НАПРЯЖЕНИЕ / РАСЧЕТНАЯ СХЕМА / ОСТЕОСИНТЕЗ / БИОДЕГРАДИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ / ПРОЧНОСТЬ / ГВИНТ / ЗУСИЛЛЯ / НАПРУЖЕННЯ / РОЗРАХУНКОВА СХЕМА / БіОДЕГРАДУЮЧИЙ МАТЕРіАЛ / МіЦНіСТЬ / SCREW / ROD / FORCE / STRESS / CALCULATION SCHEME / OSTEOSYNTHESIS / BIODEGRADABLE MATERIAL / DURABILITY

Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Панченко С.П., Зинькевич Д.А., Яцун Е.В., Головаха М.Л.

Диафизарные (внесуставные) переломы большеберцовой кости занимают ведущее место среди переломов длинных трубчатых костей (8,1-36,6 %). На сегодняшний день врачи отдают предпочтение малоинвазивным методам остеосинтеза которые не связанным с нанесением дополнительной травмы мягким тканям в области перелома. Наиболее эффективным методом остеосинтеза, при диафизарных переломах большеберцовой кости, является закрытый блокирующий интрамедулярный остеосинтез (БИОС). Преимуществами закрытого БИОС считаются его минимальная травматичность, а также возможность ранней нагрузки на сломанную конечность. Так как для консолидации перелома очень важно, чтобы система кость имплантат пребывала в постоянном динамическом напряжении. Поэтому иногда возникает необходимость в выполнении операции по динамизации перелома, которая заключается в удалении блокирующего винта. Улучшить результаты лечения пациентов с внесуставными переломами большеберцовой кости можно путем применения винтов изготовленных из биодеградирующих материалов. Суть этих материалов заключается в том, что они могут растворяться со временем. Таким образом, биодеградирующие винты после определенного времени при их нагружении могут быть сломаны, т.е. дадут возможность выполнения этапной динамизации перелома в заданные сроки. Цель. Изучение факторов, влияющих на прочность блокирующего винта для БИОС, изготовленного из биодеградирующего сплава. Вывод. Результаты расчетов показали, что в рассмотренной модели напряжения в винте существенно превышают предел прочности используемого материала. При этом формула для вычисления напряжений показала, что они зависят только от диаметра винта. Следовательно, при использовании винтов изготовленных из биодеградирующего материала, зная закон растворимости, можно установить сроки разрушения. Однако, определение этого закона требует выполнения множества экспериментов и является трудоемкой задачей, что указывает на необходимость дальнейших исследований.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по медицинским технологиям , автор научной работы — Панченко С.П., Зинькевич Д.А., Яцун Е.В., Головаха М.Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ASSESSMENT OF SCREW DURABILITY USED FOR BLOCKING INTRAMEDULLARY OSTEOSYNTHESIS

Diaphyseal tibial fractures (outside the joint) occupy a leading place among fractures of long bones (8,1-36,6 %). Nowadays, doctors prefer minimally invasive techniques to the ones that cause additional soft-tissue involvement in the area of fracture. Closed blocking intramedullary osteosynthesis (BIOS) is considered to be the most effective technique of osteosynthesis in diaphyseal tibial fractures management. The least traumatic effect as well as the feasibility of early loading of a broken limb are regarded as the benefits of the BIOS. As for the consolidation of the fracture, it is very important that the bone implant system is in constant dynamic tension. Therefore, sometimes it becomes necessary to perform an operation to dynamize the fracture, which consists in removing the locking screw. Improve the results of treatment of patients with extraarticular fractures of the tibia by applying screws made from biodegradable materials. The essence of these materials is that they can dissolve with time. Thus, biodegradable screws after a certain time under loading may be broken. It will give an opportunity to perform stage-by-stage dynamization of the fracture in the given time. Aim. The aim of the study is to examine the factors which influence the durability of blocking screw for BIOS made of biodegradable alloy. Conclusion. Calculations demonstrated that in the model examined the screw stresses are substantially greater than the tensile strength of the material used. What the formula for stresses calculating revealed is that the stresses depend upon a screw diameter only. Thus, it becomes possible to specify the time of screw destruction when using biodegradable screws and knowing the law of solubility. Nevertheless, to verify this law a number of experiments is to be conducted that in its turn proves the complexity of the task. Consequently, the above points to the need for the further research in the field.

Текст научной работы на тему «Оценка прочности винта используемого для блокирующего интрамедулярного остеосинтеза»

УДК [539.4:621.882.1/2]:616.71-001.5-089.2

DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.290818.54.92

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ВИНТА ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ БЛОКИРУЮЩЕГО ИНТРАМЕДУЛЯРНОГО ОСТЕОСИНТЕЗА

ПАНЧЕНКО С. П.1, канд. техн. наук, доц., ЗИНЬКЕВИЧ Д. А.2, студ,

3

ЯЦУН Е. В. , ассистент, ГОЛОВАХА М. Л.4, д-р. мед. наук, проф.

'Кафедра строительной механики и сопротивления материалов, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24а, 49600 Днепр, Украина, тел. +380562469822, e-mail: serpanko@mail.ru

Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24а, 49600 Днепр, Украина, тел. +380562469822, e-mail: zinda96@ukr.net

3Кафедра травматологии и ортопедии, Запорожский государственный медицинский университет, просп. Маяковского, 26, г. Запорожье, Украина, 69035, 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

4Кафедра травматологии и ортопедии, Запорожский государственный медицинский университет, просп. Маяковского, 26, г. Запорожье, Украина, 69035, 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

Аннотация. Постановка проблемы. Диафизарные (внесуставные) переломы большеберцовой кости занимают ведущее место среди переломов длинных трубчатых костей (8,1—36,6 %). На сегодняшний день врачи отдают предпочтение малоинвазивным методам остеосинтеза которые не связанным с нанесением дополнительной травмы мягким тканям в области перелома. Наиболее эффективным методом остеосинтеза, при диафизарных переломах большеберцовой кости, является закрытый блокирующий интрамедулярный остеосинтез (БИОС). Преимуществами закрытого БИОС считаются его минимальная травматичность, а также возможность ранней нагрузки на сломанную конечность. Так как для консолидации перелома очень важно, чтобы система кость имплантат пребывала в постоянном динамическом напряжении. Поэтому иногда возникает необходимость в выполнении операции по динамизации перелома, которая заключается в удалении блокирующего винта. Улучшить результаты лечения пациентов с внесуставными переломами большеберцовой кости можно путем применения винтов изготовленных из биодеградирующих материалов. Суть этих материалов заключается в том, что они могут растворяться со временем. Таким образом, биодеградирующие винты после определенного времени при их нагружении могут быть сломаны, т.е. дадут возможность выполнения этапной динамизации перелома в заданные сроки. Цель. Изучение факторов, влияющих на прочность блокирующего винта для БИОС, изготовленного из биодеградирующего сплава. Вывод. Результаты расчетов показали, что в рассмотренной модели напряжения в винте существенно превышают предел прочности используемого материала. При этом формула для вычисления напряжений показала, что они зависят только от диаметра винта. Следовательно, при использовании винтов изготовленных из биодеградирующего материала, зная закон растворимости, можно установить сроки разрушения. Однако, определение этого закона требует выполнения множества экспериментов и является трудоемкой задачей, что указывает на необходимость дальнейших исследований.

Ключевые слова: винт; стержень; усилие; напряжение; расчетная схема; остеосинтез; биодеградирующий материал; прочность

ОЦ1НКА М1ЦНОСТ1 ГВИНТА, ЩО ЗАСТОСОВУСТЬСЯ ДЛЯ БЛОКУЮЧОГО 1НТРАМЕДУЛЯРНОГО ОСТЕОСИНТЕЗУ

ПАНЧЕНКО С. П.1, канд. техн. наук, доц., З1НЬКЕВИЧ Д. А.2, студ., ЯЦУН С. В. , асистент, ГОЛОВАХА М. Л.4, д-р. мед. наук, проф.

*Кафедра будгвельно! механжи та опору матерiалiв, Державний вищий навчальний заклад «Приднгпровська державна академiя будiвництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24а, 49600 Дтпро, Укра!на, тел. +380562469822, e-mail: serpanko@mail.ru

2Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академГя будгвництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24а, 49600 Днгпро, Укра!на, тел. +380562469822, e-mail: zinda96@ukr.net

3Кафедра травматологи та ортопеди, ЗапорГзького державного медичного унгверситету, просп. Маяковського 26, м. ЗапорГжжя, Укра!на, 69035, 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

4Кафедра травматологи та ортопеди, ЗапорГзького державного медичного унгверситету, просп. Маяковського 26, м. ЗапорГжжя, Укра!на, 69035, 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

Анотащя. Постановка проблеми. Дiафiзарнi (позасуглобнi) переломи великогомшково1 шстки займають провiдне мiсце серед переломiв довгих трубчастих KiCTOK (8,1—36,6 %). На сьогодшшнш день лiкарi вщдають перевагу малоiнвазивним методам остеосинтезу, як не пов'язанi з нанесенням додатково! травми м'яких тканин в обласп перелому. Найбiльш ефективним методом остеосинтезу, при дiафiзарних переломах великогомiлковоl шстки, е закритий блокуючий iнтрамедулярний остеосинтез (Б1ОС). Перевагами закритого Б1ОС вважаються його мiнiмальна травматичнiсть, а також можливiсть раннього навантаження на зламану кiнцiвку. Так як для консолщацп перелому дуже важливо, щоб система шстка iмплантат перебувала в постшному динамiчному напруженнi. Тому iнодi виникае необхвдшсть у виконаннi операцп по динашзаци перелому, яка полягае у видаленш блокуючого гвинта. Полiпшити результати лшування пацiентiв з позасуглобовими переломами великогомшково! к1стки можна шляхом застосування гвинтiв виготовлених з бiодеградуючих матерiалiв. Суть цих матерiалiв полягае в тому, що вони можуть розчинятися згодом. Таким чином, бiодеградуючi гвинти шсля певного часу при 1х навантаженнi можуть бути зламанi, тобто дадуть можливiсть виконання етапно! динамiзацil перелому в заданi термiни. Мета. Вивчення факторiв, що впливають на мщшсть блокуючого гвинта для Б1ОС, виготовленого з бiодеградуючого сплаву. Висновок. Результати розрахуншв показали, що в розглянутш моделi напруження в гвинп iстотно перевищують межу мiцностi використовуваного матерiалу. При цьому формула для обчислення напружень показала, що вони залежать тшьки ввд дiаметра гвинта. Отже, при використанш гвинтiв виготовлених з бюдеградуючого матерiалу, знаючи закон розчинносп, можна встановити термiни руйнування. Однак, визначення цього закону вимагае виконання безлiчi експериментiв i е трудомютким завданням, що вказуе на необхвдшсть подальших дослiджень.

Ключов1 слова: гвинт; стержень; зусилля; напруження; розрахункова схема; остеосинтез; бiодеградуючий Mamepian; мщтсть

ASSESSMENT OF SCREW DURABILITY USED FOR BLOCKING INTRAMEDULLARY OSTEOSYNTHESIS

PANCHENKO S. P.1, Cand. Sc. (Tech.), Assos. Prof., ZINKEVYCH D. A.2, student, YATSUN E. V.3, assistant, GOLOVAKHA M. L.4, Dr. Sc. (Med.), Prof..

1 Department of building mechanics and strength of materials, State Establishment «Pridneprovsk Academy of Civil Engineering and Architecture», 24a Chernishevskogo str., Dnipro, Ukraine, 49600, tel. +380562469822, e-mail: serpanko@mail.ru 2State Establishment «Pridneprovsk Academy of Civil Engineering and Architecture», 24a Chernishevskogo str., Dnipro, Ukraine, 49600, tel. +380562469822, e-mail: zinda96@ukr.net

3 Department of traumatology and orthopedics, Zaporozhye state medical university, 26 Majakovskogo ave., Zaporozhye, Ukraine, 69035, tel. 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

4 Department of traumatology and orthopedics, Zaporozhye state medical university, 26 Majakovskogo ave., Zaporozhye, Ukraine, 69035, tel. 061-224-64-69, e-mail: zsmu@zsmu.zp.ua

Abstract. Problem statement. Diaphyseal tibial fractures (outside the joint) occupy a leading place among fractures of long bones (8,1-36,6 %). Nowadays, doctors prefer minimally invasive techniques to the ones that cause additional soft-tissue involvement in the area of fracture. Closed blocking intramedullary osteosynthesis (BIOS) is considered to be the most effective technique of osteosynthesis in diaphyseal tibial fractures management. The least traumatic effect as well as the feasibility of early loading of a broken limb are regarded as the benefits of the BIOS. As for the consolidation of the fracture, it is very important that the bone implant system is in constant dynamic tension. Therefore, sometimes it becomes necessary to perform an operation to dynamize the fracture, which consists in removing the locking screw. Improve the results of treatment of patients with extraarticular fractures of the tibia by applying screws made from biodegradable materials. The essence of these materials is that they can dissolve with time. Thus, biodegradable screws after a certain time under loading may be broken. It will give an opportunity to perform stage-by-stage dynamization of the fracture in the given time. Aim. The aim of the study is to examine the factors which influence the durability of blocking screw for BIOS made of biodegradable alloy. Conclusion. Calculations demonstrated that in the model examined the screw stresses are substantially greater than the tensile strength of the material used. What the formula for stresses calculating revealed is that the stresses depend upon a screw diameter only. Thus, it becomes possible to specify the time of screw destruction when using biodegradable screws and knowing the law of solubility. Nevertheless, to verify this law a number of experiments is to be conducted that in its turn proves the complexity of the task. Consequently, the above points to the need for the further research in the field.

Keywords: screw; rod; force; stress; calculation scheme; osteosynthesis; biodegradable material; durability

Постановка проблемы. Диафизарные (внесуставные) переломы большеберцовой кости занимают ведущее место среди переломов длинных трубчатых костей (8,136,6 %) [1, 2]. В структуре инвалидности переломы голени составляют от 7 до 37,6 % от всех травм опорно-двигательного аппарата. Количество нарушений сращения при переломах большеберцовой кости достигает 25-40%.

На сегодняшний день врачи отдают предпочтение малоинвазивным методам остеосинтеза, которые не связанным с нанесением дополнительной травмы мягким тканям в области перелома. Это связано с тем, что уровень репаративной регенерации костной ткани во многом определяется степенью травматизации тканей в этой области. Большие повреждения источников косте-

образования, приводят к замедлению процесса образования костной мозоли, и как следствие замедлению сращения, или формированию ложного сустава [3].

Остеосинтез - это соединение отломков костей с помощью специальных фиксаторов до полного их сращения.

Наиболее эффективным методом остеосинтеза, при диафизарных переломах большеберцовой кости, является закрытый блокирующий интрамедулярный

остеосинтез (БИОС). Такая методика позволяет фиксировать как простые, так и сложные (многооскольчатые) переломы.

Для этого применяются специальные канюлированные (полые) штифты, которые снабжены отверстиями на верхнем и нижнем конце. Через эти отверстия вводятся винты, которые проходят через кость. С помощью блокирующих винтов достигают прочной фиксации штифта в участках кости выше и ниже перелома. Зафиксированные отломки не смогут смещаться по длине, ширине и поворачиваться вокруг своей оси. Материалом для изготовления винтов и стержней служат обычно сплавы титана и нержавеющая сталь.

Преимуществами закрытого интра-медуллярного остеосинтеза считаются его минимальная травматичность, а также

возможность ранней нагрузки на сломанную конечность. В большинстве случаев блокированный интрамедуллярный

остеосинтез (БИОС) настолько стабилен, что пациентам разрешается дозированная нагрузка на повреждённую конечность уже на следующие сутки после операции. Более того такая нагрузка стимулирует формирование костной мозоли и сращение перелома. Таким образом, БИОС является оптимальным вариантом при переломах большеберцовой кости, так как с одной стороны он в наименьшей степени нарушает кровоснабжение кости, а с другой стороны позволяет давать раннюю осевую нагрузку на травмированную конечность.

Анализ публикаций. Для

консолидации перелома очень важно чтобы система кость имплантат пребывала в постоянном динамическом напряжении, которое обеспечивает постоянный контакт между фрагментами перелома. Отсутствие контакта между костными фрагментами в сочетании с нагрузкой на травмированный сегмент, может привести к таким послеоперационным проблемам как, неконтролируемый перелом винтов (самодинамизация), миграция винтов, перелом штифтов, воспалительные осложнения, замедленную консолидацию и не сращения [3, 4].

В случае замедленной консолидации перелома для создания более плотного контакта между костными отломками, возникает необходимость в выполнении операции по динамизации перелома. Она заключается в удалении проксимального блокирующего винта из статического (круглого) отверстия. Это даёт возможность винту, в овальном отверстии, смещаться и позволяет перемещаться костным отломкам, что сохраняет их полный контакт [5].

Улучшить результаты лечения пациентов с внесуставными переломами большеберцовой кости, можно путем применения винтов, изготовленных из биодеградирующих материалов. Суть этих материалов заключается в том, что они могут растворяться со временем. При этом снижаются их прочностные характеристики.

Таким образом, биодеградирующие винты после определенного времени при их нагружении могут быть сломаны, т.е. дадут возможность выполнения этапной динамизации перелома в заданные сроки. Следовательно, использование указанных винтов может уменьшить количество инвазивных вмешательств (операция по извлечению блокирующего винта), минимизируя риск замедленной

консолидации и сопутствующих ей осложнений.

Цель статьи. Изучение факторов, влияющих на прочность блокирующего винта для БИОС, изготовленного из биодеградирующего сплава.

Изложение материала. Исследование выполнялось с использованием

аналитических соотношений сопротивления материалов и методов строительной механики и теоретической механики.

Построение расчетной схемы основывалось на рентгенограммах установленных стержней и винтов. В рассматриваемых системах фиксации ось

винта и ось стержня предполагались взаимноортогональными. При этом ось стержня совпадала с осью большеберцовой кости.

Здесь следует заметить, что ось большеберцовой кости имеет

незначительное отклонение от вертикали. Поэтому ось стержня также не будет строго вертикальной. Однако, учитывая малость угла отклонения, для упрощения расчетов, на данном этапе исследования предполагалось, что ось кости, ось стержня и, следовательно, вектор нагрузки совпадали с вертикальной осью.

На рис. 1, а показаны схема перелома, и схема фиксации с использованием БИОС. Учитывая, что при рассматриваемом переломе фиксация осуществляется минимум двух фрагментов кости, с целью упрощения расчетов, исследовался именно такой перелом. На рис. 1, б показана схема, отображающая распределение нагрузок между фиксирующими винтами при их взаимодействии со штифтом.

а)

г

, к 1. к

б)

Рис. 1. Схема перелома большеберцовой кости и его фиксация БИОС (а), распределение нагрузок между

винтами при БИОС (б)

В качестве основного объекта исследования рассматривался верхний винт, поэтому отдельно построена схема его нагружения. Заметим, что нагрузка на винт передается от веса человека через края кости (кортикальная ткань). Опирание этого винта осуществляется на штифт, от которого возникает реакция (Д) вследствие опирания штифта на нижний винт (рис. 1, б).

На рис. 2 показан вид в разрезе кости с фиксацией винтом и штифтом. Такая схема нагружения винта соответствует балке опертой по краям с нагрузкой, приложенной посередине. Учитывая разницу в свойствах материала винта и кортикальной кости, балка предполагалась шарнирно-опертой.

ЗТ

Рис. 2. Вид кости в разрезе в месте фиксации винтом

При расчетах использовались действительные размеры винта: длина - 36 мм, диаметр - 5 мм. В свою очередь, длина балки, которая учитывалась при вычислениях, определялась по размеру поперечного сечения кости в месте установки винта. С учетом того, что внешний диаметр кости - 36 мм, внутренний - 30 мм, расчётная длина балки составила 33 мм.

F=30DH

R=400H

J—

Физико-механические свойства балки соответствовали свойствам сплава МЛ-10, из которого изготавливаются

биодеградирующие винты: модуль Юнга E = 43 ГПа, коэффициент Пуассона v = 0.25. Предел кратковременной прочности: ов = 235 МПа. Кортикальный слой

рассматривался в виде опор, поэтому его свойства не учитывались. Спонгиозная ткань не учитывалась вообще.

Нагрузка на винт передавалась по площадке, которая равнялась размеру поперечного сечения штифта. Учитывая малость этого размера, по сравнению с общей длиной винта, нагрузка задавалась в виде сосредоточенной силы. Величина нагрузки равнялась 80 кг или 800 Н, что соответствует весу взрослого человека.

Описанная расчетная схема винта соответствует шарнирно-опертой балке круглого поперечного сечения, нагруженной посередине силой перпендикулярной к оси балки (Рис. 3, а).

F=800H

R=400H

-4

R=4°0H R-400H

^-J- |_JJmm_

а) б)

Рис. 3. Расчетная схема винта

Данный тип нагружения представляет собой случай плоского поперечного изгиба, при котором возникают только вертикальные составляющие опорных реакций. С этой точки зрения, балку можно рассматривать как статически-определимую (Рис. 3, б), т.е. такую, решение которой может быть получено с помощью уравнений равновесия.

Здесь следует заметить, что исследование прочности выполняется по наиболее напряженной точке - опасной точки в опасном сечении. Опасным называют сечение, в котором напряжения, вызываемые действием внешних усилий, максимальны. Для его определения при ППИ строятся эпюры поперечных сил и изгибающих моментов по длине балки.

Прежде чем строить эпюры внутренних усилий, необходимо в заданной балке определить опорные реакций. Так как балка является статически определимой, то для нахождения опорных реакций используются уравнения статики. Однако, учитывая симметрию рассматриваемой балки, можно сказать, что опорные реакции равны между собой и соответствуют половине приложенной нагрузки, т. е. R=F/2=400 Н.

Далее для построения эпюр балку по длине разбиваем на участки:

- первый участок - от начала до середины балки (от 0 до 16,5 мм);

- второй участок - от середины до конца балки (от 16,5 мм до 33 мм).

Затем, на каждом из участков записываем аналитические выражения внутренних усилий и вычисляем их.

I участок:

0(х) = Я = 400Н;

М (х) = Я ■ х;

М(0) = 0;

М(0.0165) = 6.6 Н ■ м.

II участок:

0(х) = Я - ^ = -400 Н;

М(х) = Я ■ х - ^ ■ (х - 0.0165);

М(0.0165) = 6.6 Н ■ м;

М (0.033) = 0.

По результатам выполненных расчетов строят эпюры поперечной силы и изгибающего момента. На рис. 4 показаны эпюры внутренних усилий по длине балки.

р=еоон

V

33мм

400

Эпюра поперечных сил С! (Н)

400

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

I

I

400

400

Эпюра изгибающих моментов М (Н-м)

6,6

Рис. 4. Эпюры внутренних усилий

Как указывалось выше, расчеты на прочность выполняются в опасной точке. Опасной называется такая точка сечения, в которой напряжение достигает

максимального значения. Положение опасной точки зависит от типа деформации, вида напряжения и типа сечения. В данной задаче рассматривается плоский поперечный изгиб, при котором основным внутренним усилием, влияющим на прочность, является изгибающий момент. При этом, изгибающий момент является

равнодействующей от нормальных напряжений, поэтому в дальнейшем именно эти величины будем принимать во внимание.

Учитывая, что рассматриваемая балка моделирует винт, то сечение предполагается круглым. Опасная точка такого сечения расположена на его контуре - максимально удалена от оси балки. На рис. 5 показана характерная эпюра распределения нормальных напряжений в круглом сечении.

Эпюра нормальных напряжений а

2

£

-V

Рис. 5. Эпюра нормальных напряжений в поперечном сечении

величины используем нормальных

Для определения максимального напряжения, формулу вычисления напряжений при ППИ:

М

=--У,

где: М - значение изгибающего момента в рассматриваемом сечении;

Iг - осевой момент инерции сечения;

у - координата точки сечения, в которой определяются напряжения.

Следовательно, а г зависит от координаты У и максимальная величина достигается при у = утах:

а„

I Ут

где: утах - расстояние от нейтральной оси до края сечения (в данном случае

Утах = Ь/2).

I_

Отношение

=

называют

Утах

осевым моментом сопротивления сечения. Эта величина характеризует влияние формы и размеров поперечного сечения на величину напряжений.

Тогда формула для определения максимального нормального напряжения в произвольном сечении имеет вид:

м

Ж •

Для сечений круглой формы осевой момент сопротивления Ж определяется как:

тЮ3

а.

6,6 • 32

= 538,1 МПа.

а

W, =

32

То

зависит

напряжение момента в

Подставляя это выражение в формулу для тах, получаем:

М • 32 а =-.

z max 3

Ж)

есть нормальное от изгибающего рассматриваемом сечении и от диаметра сечения. Так как нагрузка постоянная и, следовательно, изгибающий момент не изменяется, напряжение будет зависеть только от диаметра. Причем, напряжение будет обратно пропорционально кубу диаметра винта.

С учетом того, что наибольшие напряжения необходимо вычислить для опасного сечения, т.е. при М = Mmax, эту формулу можно записать в виде: _ = Мmax • 32

zmax Ж3 ■

Принимая во внимание изгибающих моментов, опасным сечение в центре балки, в

Mmax = 6,6 Н • М.

Подставляя в формулу для напряжений необходимые величины, получаем:

эпюру считаем котором

3,14 • 0,005 Полученная величина напряжений превышает предел прочности сплава МЛ-10 в 2 раза. Однако, здесь следует заметить, что расчетная модель предполагала опирание фрагмента кости только на винт. При этом не учитывалось опирание фрагментов кости друг на друга, что привело бы к снижению нагрузки на винт, и как следствие, к уменьшению величины максимальных напряжений. Кроме того, не учитывалось и сращение фрагментов кости между собой, а также влияние окружающих структур. Учет этих факторов влияет на усилия и напряжения в винте, но требует построения других расчетных моделей и применение специализированных программных

комплексов.

Результаты расчетов в рассмотренной модели винте существенно предел прочности

материала. При этом вычисления напряжений они зависят только от диаметра винта. Следовательно, при использовании винтов изготовленных из биодеградирующего материала, зная закон растворимости, можно установить сроки разрушения. Однако, определение этого закона требует выполнения множества экспериментов и является трудоемкой задачей, что указывает на необходимость дальнейших исследований.

Выводы.

показали, что напряжения превышают используемого формула для показала, что

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Technique of using the AO femoral distractor for femoral intramedullary nailing / F. Baumgaertel, C. Dahlen, R. Stiletto, L. Gotzen // Journal of Orthopaedic Trauma. - 1994. - Vol. 8(4). - P. 315-321.

2. Behrens F. External fixation of the Tibia. Basic concept and prospective evaluation / F. Behrens, K. Searls // Journal of Bone and Joint Surgery. - 1986. - Vol. 68 B(2). - P. 246-254.

3. Анализ результатов лечения диафизарных переломов большеберцовой кости при использовании различных видов остеосинтеза / Гайко Г. В., Калашников А. В., Вдовиченко К. В., Чалайдюк Т. П. // Остеосинтез. -2012. - № 3(20). - С. 16-20.

4. Климовицький В. Г. Переломи, що не зрослися, та псевдоартрози / Климовицький В. Г., Оксимець В. М. // Травма. - 2012. - № 13(4). - С. 166-174.

5. Современные методы остеосинтеза костей при острой травме опорно-двигательного аппарата : учеб. пособие / С. В. Сергеев, Н. В. Загородний, М. А. Абдулхабиров и др. - Москва : РУДН, 2008. - 222 с.

REFERENCES

1. Baumgaertel F., Dahlen C., Stiletto R. and Gotzen L. Technique of using the AO femoral distractor for femoral intramedullary nailing. Journal of Orthopaedic Trauma. 1994, vol. 8(4), pp. 315-321.

2. Behrens F. and Searls K. External fixation of the Tibia. Basic concept and prospective evaluation. Journal of Bone and Joint Surgery. 1986, vol. 68 B(2), pp. 246-254.

3. Gajko G.V., Kalashnikov A.V., Vdovichenko K.V. and Chalajdyuk T.P. Analiz rezul'tatov lecheniya diafizarnyx perelomov bol'shebertsovoj kosti pri ispol 'zovanii razlichnyx vidov osteosinteza [Analysis of the results of treatment of diaphyseal fractures of the tibia with different types of osteosynthesis]. Osteosintez [Osteosynthesis]. 2012, no. 3(20), pp. 16-20. (in Russian).

4. Klymovytskyi V.G. and Oksimets V.M. Perelomy, shcho ne zroslysia, ta psevdoartrozy [Unbreaked Fractures and Pseudoarthrosis]. Travma [Trauma]. 2012, no. 13(4), pp. 166-174. (in Ukrainian).

5. Sergeev S.V., Zagorodnij N.V., Abdulxabirov M.A. and others. Sovremennye metody osteosinteza kostej pri ostroj travme oporno-dvigatel'nogo apparata [Modern methods of osteosynthesis of bones in acute trauma of the musculoskeletal system]. Moskva: RUDN, 2008, 222 p. (in Russian).

Рецензент: Красовський В. Л., д-р техн. наук, проф. Надшшла до редколеги: 02.02.2018 р.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.