Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

بررسی پیچ‌های خودبازشونده با استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار و اثر آن‌ها در استحکام ستون فقرات در بارگذاری چرخه‌ای با استفاده از شبیه‌سازی عددی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده
در بسیاری از عمل‌های جراحی روی ستون فقرات ناپایدار، پزشک ناچار است به منظور افزایش استحکام بخش‌های آسیب دیده، از پروتز استفاده کند. عوامل مختلفی می‌توانند به مرور باعث کاهش استحکام و شل شدن پیچ‌های پدیکولار داخل مهره‌ها شوند که می­تواند موجب عوارض نامطلوب بعدی شود. یکی از راه‌کار‌های مقابله با این پدیده استفاده از پیچ‌های خودبازشونده (پیچ استاندارد به همراه ورق‌های بازشونده‌ی حافظه‌دار نیکل-تیتانیوم) بوده که به دلیل تخریب کم‌تر و خواص زیست‌سازگار طی سالیان اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این پژوهش با هدف مقایسه‌ی پیچ استاندارد و خودبازشونده به کمک روش اجزای محدود، سه نمونه پیچ مورد بررسی قرار گرفته است. این سه مدل پیچ شامل پیچ استاندارد، خودبازشونده‌ی ساده (با سطح صاف) و خودبازشونده با سطح متخلخل است. هر یک از پیچ‌ها تحت بارگذاری چرخه‌ای مورد بررسی قرار گرفته و با یک‌دیگر مقایسه شده است. برای این منظور ابتدا مدل‌های سه‌بعدی استخوان و پیچ استاندارد و بازشونده طراحی شده و با استفاده از نرم‌افزار آباکوس مورد ارزیابی قرار گرفته است. پس از اتمام شبیه‌سازی‌ها، میزان کرنش پلاستیک معادل ثبت شده برای پیچ استاندارد، خودبازشونده‌ی ساده و متخلخل به ترتیب برابر با 78/1، 15/0 و 06/0 بوده که نشان دهنده‌ی تخریب کم‌تر استخوان در مدل‌های خودبازشونده به خصوص مدل متخلخل است. هم‌چنین کار خارجی انجام شده نیز برای پیچ استاندارد بیشینه و برای پیچ خودبازشونده‌ی متخلخل کمینه بوده که بیان‌گر جابه‌جایی کم‌تر و در نتیجه استحکام بیش‌تر مدل خودبازشونده‌ی متخلخل است. نتایج حاصل از این پژوهش کاربردهای بالقوه­ای در تحقیقات کلینیکی ارتوپدی دارد که به توسعه‌ی رویکردهای درمانی مناسب کمک می­کند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Effects of Self-Expandable Pedicle Screws with Shape Memory Alloy Structures on Spinal Fixation Strength under Cyclic Loading using a Numerical Simulation

نویسندگان English

Mahdi Mohammad Asghari 1
Aisa Rassoli 2
1 Ms.C. Student, Biomechancs, Mechanical Engineering Department, KN Toosi University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Biomechancs, Mechanical Engineering Department, KN Toosi University, Tehran, Iran
چکیده English

In many spinal diseases, the surgeon has to use pedicle screws to keep one or more vertebrae stable. Various factors can gradually reduce the strength of the pedicle screws inside the vertebrae, which can cause adverse effects. One of the solutions to deal with this phenomenon is the use of self-expandable screws (standard screws with nickel-titanium memory sheets), which have been investigated recently due to less damage and biocompatible properties. In this research, the purpose of which is to compare standard and self-expandable screws, three screw samples were examined using finite element method. Standard screw, simple self-expandable screw (with smooth surface) and self-expandable screw with porous surface. Each of the screws was examined under cyclic loading and compared with each other. For this purpose, 3D models of standard and openable bone and screw were designed and evaluated using Abaqus software. After the simulation, the amount of equivalent plastic strain recorded for standard, simple self-expandable and porous screws was equal to 1.78, 0.15 and 0.06, respectively, which indicates less bone destruction in self-expandable models, especially porous ones. Also, the external work is maximum for the standard screw and minimum for the porous self-opening screw, which indicates less displacement and, as a result, greater strength of the porous self-expandable model. The results of this research have potential applications in orthopedic clinical research, which helps to develop appropriate therapeutic approaches.

کلیدواژه‌ها English

Pedicle Screws
Self-Expandable Screws
Cyclic Tests
Memory Alloys
  1. Halvarson T. effect f bone mineral density on pedicle screw fixation, 1994.
  2. Okuyama K, Abe E, Suzuki T, Tamura Y, Chiba M, Sato K. Influence of bone mineral density on pedicle screw fixation: a study of pedicle screw fixation augmenting posterior lumbar interbody fusion in elderly patients. The Spine Journal. 2001; 1(6): 402-7.
  3. Matsukawa K, Yato Y, Imabayashi H. Impact of screw diameter and length on pedicle screw fixation strength in osteoporotic vertebrae: a finite element analysis. Asian Spine 2021; 15(5): 566.
  4. Lai D-M, Shih Y-T, Chen Y-H, Chien A, Wang J-L. Effect of pedicle screw diameter on screw fixation efficacy in human osteoporotic thoracic vertebrae. Journal of biomechanics. 2018; 70: 196-203.
  5. Krenn MH, Piotrowski WP, Penzkofer R, Augat P. Influence of thread design on pedicle screw fixation. Journal of Neurosurgery: Spine. 2008; 9(1): 90-5.
  6. Brasiliense LB, Lazaro BC, Reyes PM, Newcomb AG, Turner JL, Crandall DG, et al. Characteristics of immediate and fatigue strength of a dual-threaded pedicle screw in cadaveric spines. The Spine Journal. 2013; 13(8): 947-56.
  7. Kim Y-Y, Choi W-S, Rhyu K-W. Assessment of pedicle screw pullout strength based on various screw designs and bone densities—an ex vivo biomechanical study. The Spine Journal. 2012; 12(2): 164-8.
  8. Shea TM, Laun J, Gonzalez-Blohm SA, Doulgeris JJ, Lee WE, Aghayev K, et al. Designs and techniques that improve the pullout strength of pedicle screws in osteoporotic vertebrae: current status. BioMed research international, 2014.
  9. Sterba W, Kim D-G, Fyhrie DP, Yeni YN, Vaidya R. Biomechanical analysis of differing pedicle screw insertion angles. Clinical biomechanics. 2007; 22(4): 385-91.
  10. Inceoğlu S, Montgomery WH, Clair SS, McLain RF. Pedicle screw insertion angle and pullout strength: comparison of 2 proposed strategies. Journal of Neurosurgery: Spine. 2011; 14(5): 670-6.
  11. Cook SD, Salkeld SL, Stanley T, Faciane A, Miller SD. Biomechanical study of pedicle screw fixation in severely osteoporotic bone. The Spine 2004; 4(4): 402-8.
  12. Wuisman P, Van Dijk M, Staal H, Van Royen BJ. Augmentation of (pedicle) screws with calcium apatite cement in patients with severe progressive osteoporotic spinal deformities: an innovative technique. European Spine Journal. 2000, 9(6), 528-533.
  13. Goost H, Deborre C, Wirtz D, Burger C, Prescher A, Fölsch C, et al. PMMA-augmentation of incompletely cannulated pedicle screws: a cadaver study to determine the benefits in the osteoporotic spine. Technology and Health Care. 2014; 2(4), 607-615.
  14. Moon BJ, Cho BY, Choi EY, Zhang HY. Polymethylmethacrylate-augmented screw fixation for stabilization of the osteoporotic spine: a three-year follow-up of 37 patients. Journal of Korean Neurosurgical Society. 2009; 46(4): 305.
  15. Liu D, Shi L, Lei W, Wei M-Q, Qu B, Deng S-L, et al. Biomechanical comparison of expansive pedicle screw and polymethylmethacrylate-augmented pedicle screw in osteoporotic synthetic bone in primary implantation: an experimental study. Clinical spine surgery. 2016, 29(7), E351-E7.
  16. Werner M, Hammer N, Rotsch C, Berthold I, Leimert M. Experimental validation of adaptive pedicle screws—a novel implant concept using shape memory alloys. Medical & biological engineering & computing. 2020; 58(1): 55-65.
  17. Lei W, Wu Z. Biomechanical evaluation of an expansive pedicle screw in calf vertebrae. European Spine Journal. 2006; 15(3): 321-6.
  18. Weiser L, Huber G, Sellenschloh K, Viezens L, Püschel K, Morlock MM, et al. Insufficient stability of pedicle screws in osteoporotic vertebrae: biomechanical correlation of bone mineral density and pedicle screw fixation strength. European Spine Journal. 2017; 26(11): 2891-7.
  19. Wan S, Lei W, Wu Z, Liu D, Gao M, Fu S. Biomechanical and histological evaluation of an expandable pedicle screw in osteoporotic spine in sheep. European Spine Journal. 2010; 19(12): 2122-9.
  20. Fu J, Yao Z, Wang Z, Cui G, Ni M, Li X, et al. Surgical treatment of osteoporotic degenerative spinal deformity with expandable pedicle screw fixation: 2-year follow-up clinical study. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 2018; 104(3): 411-5.
  21. Lin L-C, Chen H-H, Sun S-P. A biomechanical study of the cortex-anchorage vertebral screw. Clinical Biomechanics. 2003; 18(6): S25-S32.
  22. Vishnubhotla S, McGarry WB, Mahar AT, Gelb DE. A titanium expandable pedicle screw improves initial pullout strength as compared with standard pedicle screws. The spine journal. 2011; 11(8): 777-81.
  23. Duerig T, Pelton A, Stöckel D. An overview of nitinol medical applications. Materials Science and Engineering: A. 1999; 273: 149-60.
  24. Machado L, Savi M. Medical applications of shape memory alloys. Brazilian journal of medical and biological research. 2003; 36(6): 683-91.
  25. Khier SE, Brantley WA, Fournelle RA. Bending properties of superelastic and nonsuperelastic nickel-titanium orthodontic wires. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 1991; 99(4): 310-8.
  26. Yao Y, Yuan H, Huang H, Liu J, Wang L, Fan Y. Biomechanical design and analysis of auxetic pedicle screw to resist loosening. Computers in Biology and Medicine. 2021; 133: 104386.
  27. Azari F, Arjmand N, Shirazi-Adl A, Rahimi-Moghaddam T. A combined passive and active musculoskeletal model study to estimate L4-L5 load sharing. Journal of biomechanics. 2018; 70: 157-65.
  28. Jaber MB, Mehrez S, Ghazouani O. A 1D constitutive model for shape memory alloy using strain and temperature as control variables and including martensite reorientation and asymmetric behaviors. Smart materials and structures. 2014; 23(9): 095026.
  29. Simulia ABAQUS 2022 Documentation [Internet].
  30. Sven H, Yannick L, Daniel B, Paul H, Lorin B. Influence of screw augmentation in posterior dynamic and rigid stabilization systems in osteoporotic lumbar vertebrae: a biomechanical cadaveric study. Spine, 2014, 39(6), E384-E9.
  31. Bianco R-J, Arnoux P-J, Mac-Thiong J-M, Wagnac E, Aubin C-E. Biomechanical analysis of pedicle screw pullout strength. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. 2013; 16(sup1): 246-8.
  32. Chao C-K, Hsu C-C, Wang J-L, Lin J. Increasing bending strength and pullout strength in conical pedicle screws: biomechanical tests and finite element analyses. Clinical Spine Surgery. 2008; 21(2): 130-8.
  33. Xu M, Yang J, Lieberman IH, Haddas R. Finite element method-based study of pedicle screw–bone connection in pullout test and physiological spinal loads. Medical engineering & physics. 2019; 67: 11-21.
  34. Rancourt D, Shirazi‐Adl A, Drouin G, Paiement G. Friction properties of the interface between porous‐surfaced metals and tibial cancellous bone. Journal of biomedical materials research. 1990; 24(11): 1503-19.
دوره 17، شماره 3
پاییز 1402
صفحه 209-217

  • تاریخ دریافت 27 دی 1402
  • تاریخ بازنگری 09 تیر 1403
  • تاریخ پذیرش 11 تیر 1403