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足関節全置換インプラントに使用される生体材料の調査

ネットカジノに進学する私の計画は、数学と物理学の楽しみ、そして日常的に使用するさまざまな機械の機能についての好奇心を満たしてくれる機械工学科を卒業することでした。その後、私は自分のキャリアを通じて、より多くの人々に利益をもたらすことに加えて、専門能力開発の可能性を提供したいと考えていたため、就職するか生体医工学の修士号を取得したいと考えていました。しかし、大学での経験を通じて、私はデザインエンジニアリングに対する情熱を発見しました。これらの分野はどちらも私にインスピレーションを与え、最後の 3 年間に学んだ設計および材料選択の能力と生物医学を組み合わせる最終年度のプロジェクトを選択することにしました。このプロジェクトにより、Solidworks や CES Edupack などのさまざまなソフトウェアの使用や、FEA シミュレーション結果の重要な分析など、エンジニアリングスキルをさらに深めることができました。

はじめに

足関節形成術は、足首関節の 3 つの骨 (脛骨、腓骨、距骨) の損傷部分を人工インプラントで置き換えるのに役立ちます。この手順では、すり減った骨の端を金属製のコンポーネントとその間にプラスチック製のインサートで置き換え、滑走運動を可能にします。股関節置換術や膝関節置換術とは異なり、足関節形成術は比較的新しく、十分に開発されていません。その結果、寿命は膝/股関節の15年に比べて約8年と大幅に短くなります。 TAR の費用も高く、イースト・ミッドランズでは約 5,400 ポンドです。

目的と目的

このプロジェクトの目的は、硬組織インプラント、特に足関節置換術に適用できる代替材料を見つけることです。その目標に向けた目的には以下が含まれます:

硬組織インプラントに使用されている現在の材料を批判的に評価し、そのようなインプラントに必要な材料特性を確立する
代替の先端材料とその特性を特定し、評価する
SolidWorks ソフトウェアと有限要素解析シミュレーションを使用した、さまざまな材料による足関節置換インプラントのモデリングと解析
硬組織インプラントに使用できる代替材料を推奨する

デザイン

過去数十年の間にあらゆる改良が加えられたにもかかわらず、TAR は依然として股関節および膝関節全置換術の 2 倍の高い再置換率を持っています。これは、足首の骨（脛骨と距骨）間の接触面積が小さいことや、さまざまな関節に作用する力など、さまざまな要因によって引き起こされます。足首の表面積は股関節や膝の表面積の 3 分の 1 ですが、膝より 64%、股関節より 45% 多く、より大きな力にさらされます。 TAR の大手メーカーである STAR がリファレカジノギャンブルインプラントとして選択されました。研究、計算、推定に基づいて、同様のインプラントが設計されました。

材料の選択

足首関節は人体全体の重量の大部分を支えているため、常に大きな力がかかっています。人工インプラントは実際の骨に取り付けるため、その材質は人間の骨と同様である必要があります。生体材料で考慮する必要がある主なカジノギャンブル的特性は、カジノギャンブル的強度、降伏強度、弾性率、耐摩耗性、表面粗さ、硬度、疲労強度、耐食性、生体適合性、ヤング率と延性です。現在の TAR の大部分は、固定ベアリングと可動ベアリングの両方で、UHMWPE とコバルトクロム、チタン、またはステンレス鋼合金のいずれかを組み合わせて使用されています。

骨と現在の材料のカジノギャンブル的特性の値を CES ソフトウェアに適用することにより、代替材料の選択が作成されました。

シミュレーション

解析は、文献に記載されている荷重 - X 方向 - 62.81N、Y 方向 - 58.65N、Z 方向 - 401.35N に基づいて実行されました。さらに、体重 876.4N に相当する力がアセンブリの上面と下面に加わりました。モデルを安定させるために適切な固定が適用されました。シミュレーションは 2 段階で実行され、それぞれの段階でコンポーネント間の接続が異なりました。

結論

CES Edupack データベースの調査により、TB/TL コンポーネントの可能性のある材料が 12 種類、MB コンポーネントの可能性のある材料が 5 種類特定されました。いくつかのシミュレーションを通じて、最も可能性を示す材料は、脛骨および距骨コンポーネント用の窒化ケイ素とマグネシウムであることが特定されました。可動軸受用途のすべての材料が変位レポートに合格しませんでした。それにもかかわらず、ポリイミド/カーボンファイバーは最も有望な素材であることが証明されています。将来の調査または代替調査の推奨事項には、プロトタイピングや物理テストが含まれる可能性があります。これにより、設計の実際のパフォーマカジノギャンブルが反映されるため、より正確な結果が保証されます。