plasurВопросы реконструктивной и пластической хирургииIssues of Reconstructive and Plastic Surgery1814-1471АНО "НИИ микрохирургии"10.52581/1814-1471/81/07plasur-87Research ArticleОТ НАУКИ К ПРАКТИКЕFROM SCIENCE TO THE PRACTICEКлиническое применение металлотрикотажа из никелида титана на основе количественной оценки реологического подобия мягким биологическим тканямClinical application of titanium nickelide knitwear based on the quantitative assessment of rheological similarity to soft biological tissueshttps://orcid.org/0000-0003-4615-5270МарченкоЕ. С.MarchenkoE. S.

Марченко Екатерина Сергеевна – канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Ekaterina S. Marchenko, Cand. .Phys.-Math. sci., head of the Laboratory of Superelastic Biointerfaces

(30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

89138641814@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1364-6559ЯсенчукЮ. Ф.YasenchukYu. F.

Ясенчук Юрий Феодосович – канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Yury F. Yasenchuk, Cand. Phys.-Math. sci., Senior Researcher, the Laboratory of Superelastic Biointerfaces

30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

yasenchuk.yuri@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6963-2047ГюнтерС. В.GuntherS. V.

Гюнтер Сергей Викторович – канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Sergey V. Gunther, Cand. Techn. sci., Senior Researcher, the Laboratory of Superelastic Biointerfaces

30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

guntersv@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6711-3577КозулинА. А.KozulinA. A.

Козулин Александр Анатольевич – канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры механики деформируемого твердого тела

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Alexander A. Kozulin, Cand. Phys.-Math. sci., Associate Professor, the Department of Deformable Solid Mechanics

30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

kzln2015@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7605-6735ВетроваА. В.VetrovaA. V.

Ветрова Анна Викторовна – аспирант; инженер-исследователь лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Anna V. Vetrova, postgraduate student; research engineer, the Laboratory of Superelastic Biointerfaces

30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

30, Lenin Ave., Tomsk, 634050, Russia

aniuta-vetrova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9414-6283ПолонянкинА. С.PolonyankinA. S.

Полонянкин Александр Сергеевич – врач-хирург клиники госпитальной хирургии им. акад. А.Г. Савиных

Россия, 634050, г. Томск, ул. Московский тракт, д. 2

Alexander S. Polonyankin, surgeon, the Hospital Surgical Clinic named after Acad. A.G. Savinykh

2, Moskovskiy tract st., 634050, Tomsk, Russia

anaximandr1417@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3675-7158ФатюшинаО. А.FatyushinaO. A.

Фатюшина Оксана Александровна – канд. мед. наук, доцент кафедры госпитальной хирургии с курсом сердечно-сосудистой хирургии

Россия, 634050, г. Томск, ул. Московский тракт, д. 2

Oksana A. Fatyushina, Cand. Med. sci., Associate Professor, the Department of Hospital Surgery with a Course of Cardiovascular Surgery

2, Moskovskiy tract st., 634050, Tomsk, Russia

Oksanafat.tomsk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6573-4940ВусикА. Н.VusikA. N.

Вусик Александр Николаевич – д-р мед. наук, профессор кафедры госпитальной хирургии с курсом сердечно-сосудистой хирургии

Россия, 634050, г. Томск, ул. Московский тракт, д. 2

Alexander N. Vusik, Dr. Med. sci., Professor, the Department of Hospital Surgery with a Course of Cardiovascular Surgery

2, Moskovskiy tract st., 634050, Tomsk, Russia

kaf.gosp.hirurg@ssmu.ruНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationСибирский государственный медицинский университетРоссияSiberian State Medical UniversityRussian Federation2022250620222526881Copyright © Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер С.В., Козулин А.А., Ветрова А.В., Полонянкин А.С., Фатюшина О.А., Вусик А.Н., 20222022Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер С.В., Козулин А.А., Ветрова А.В., Полонянкин А.С., Фатюшина О.А., Вусик А.Н.Marchenko E.S., Yasenchuk Y.F., Gunther S.V., Kozulin A.A., Vetrova A.V., Polonyankin A.S., Fatyushina O.A., Vusik A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://plasur.elpub.ru/jour/article/view/87

Методом одноосного циклического растяжения и растяжения до разрыва исследованы образцы трикотажа, выполненного из никелид-титановой проволоки толщиной 40, 60 и 90 мкм. Обнаружено, что металлотрикотаж при растяжении ведет себя как гиперупругий материал. У никелид-титанового трикотажа выявлено гиперупругое механическое поведение в отличие от сверхэластичной проволоки, из которой он изготовлен. С применением реологических моделей Гента, Нео–Гука, Муни–Ривлина и Бергстрома–Бойс проведен расчет циклического растяжения трикотажного материала. Показано подобие механического поведения металлотрикотажа и биологических тканей. Предложены критерии количественной оценки биомеханической совместимости трикотажного имплантата для пластики гиперупругих биологических тканей.

Основными критериями реологического подобия металлотрикотажа и мягких тканей можно считать: величину предела прочности; модули упругости и диапазон низкомодульной и высокомодульной упругой деформации при нагрузке и разгрузке; величину остаточной деформации при циклическом растяжении. Металлотрикотаж из сверхэластичной никелид-титановой проволоки при мягком отнулевом циклическом растяжении проявляет резиноподобное поведение, свойственное гиперупругим материалам. При этом в наиболее нагруженных контактных участках сверхэластичной никелид-титановой проволоки мартенситный фазовый переход не оказывал влияния на диаграмму растяжения гиперупругого трикотажа. Остаточная макродеформация при первых двух циклах растяжения обусловлена трением, противодействующим восстановлению упругой деформации при разгрузке. Установлено, что модель Бергстрома–Бойс наиболее близка по диаграмме напряжение–деформация трикотажной ленте и биологическим тканям. Металлотрикотажные имплантаты из никелид-титановой проволоки применили для пластики мягких тканей и костно-мышечных комплексов.

Разработанная методика количественной оценки биосовместимости имплантата и биологической ткани позволила выполнить подбор трикотажа с определенным сечением проволоки, ориентируясь на развиваемые металлотрикотажной лентой усилия и переменный модуль упругости. Металлотрикотажную ленту применяли без дополнительной фиксации, используя упругую самофиксацию петель трикотажа в мягкие ткани.

Samples of metal knitted mesh made of the 40 μm, 60 μm and 90 μm diameter TiNi wires are studied by uniaxial tension to rupture and uniaxial cyclic tension. It was found that the metal knitted TiNi mesh behaves like a hyperelastic material under uniaxial tension in contrast to the superelastic wire from which it is made. Using the rheological models of Gent, Neo-Hookean, Mooney–Rivlin and Bergstrom-Boyce, the calculation of the cyclic tension of the knitted mesh was carried out. The similarity of the mechanical behavior of knitted mesh and biological tissues is shown. Criteria for quantitative assessment of the biomechanical compatibility of a knitted mesh implant for plasty of hyperelastic biological tissues are proposed.

The main criteria for the rheological similarity of knitted mesh and soft tissues are the ultimate tensile strength, elastic modulus and the range of low-modulus and high-modulus elastic strain under loading and unloading; the residual strain value during cyclic tension.

It has been found that knitted mesh made of superelastic TiNi wire exhibits a rubber-like behavior characteristic of hyperelastic materials under soft zero cyclic tension. At the same time, in the most loaded contact areas of the superelastic TiNi wire, the martensitic transition did not affect the tension cycles is due to friction, which counteracts the recovery of elastic strain during unloading. It has been established that the Bergstrom–Boyce model is closest in terms of the stress–strain diagram to the knitted mesh and biological tissues. Knitted mesh implants made of nickeide titanium wire were used for plasty of soft tissues and musculoskeletal complexes. The developed method for quantitative assessment diagram of the hyperelastic knittes mesh. The residual strain during the first two tension of the biocompatibility of the implant and biological tissue make it possible to choosу knitteв mesh with a certain wire diametre, focusing on the forces developed by the knitted mesh and the variable elasticity modulus. The knitted mesh was applied without additional fixation, using elastic self-fixation of knitted mesh loops into soft tissues.

никелид титанаметаллотрикотажметод подгонкимодель Бергсторма-Бойсбиосовместимостьпластика тканейtitanium nickelideknitwearfitting methodBergstorm–Beuys modelbiocompatibilityfabric plasticsисследование выполнено при поддержке гранта Правительства Российской Федерации (Постановление №220 от 09.04.2010, Соглашение № 075-15-2021-612 от 04.06.2021)ReferencesMaccabi A., Shin A., Namiri N., et. al. Quantitative characterization of viscoelastic behavior in tissue-mimicking phantoms and ex vivo animal tissues // PLoS ONE. 2018. Vol. 13, No. 1. P. e0191919. DOI.org/10.1371/journal.pone.0191919Maccabi A., Shin A., Namiri N., et. al. Quantitative characterization of viscoelastic behavior in tissue-mimicking phantoms and ex vivo animal tissues. PLoS ONE. 2018;13(1):e0191919. DOI.org/10.1371/journal.pone.0191919Lattore M., Romero X., Montans F. The relevance of transverse deformation effects in modeling soft biological tissues // International Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 99. P. 57–70. DOI.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.08.006Lattore M., Romero X., Montans F. The relevance of transverse deformation effects in modeling soft biological tissues // International Journal of Solids and Structures. 2016;99:57-70. DOI.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.08.006Victor S., Muthu J. Polymer Ceramic Composite Materials for Orthopedic Applications-Relevance and Need for Mechanical Match and Bone Regeneration // Journal of Mechatronics. 2014. No. 2(1). DOI: 10.1166/jom.2014.1030Lattore M., Romero X., Montans F. The relevance of transverse deformation effects in modeling soft biological tissues. International Journal of Solids and Structures. 2016;99:57-70. DOI.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.08.006Yadav S., Ganswar S. An Overview on Recent progresses and future perspective of biomaterials // Materials Science and Engineering. 2018. No. 4(11). P. 3809–3817. DOI:10.1088/1757-899X/404/1/012013Yadav S., Ganswar S. An Overview on Recent progresses and future perspective of biomaterials. Materials Science and Engineering. 2018;4(11):3809-3817. DOI:10.1088/1757-899X/404/1/012013Ramo N.L., Puttlitz C.M., Troyer K.L. The development and validation of a numerical integration method for non-linear viscoelastic modeling // PLoS One. 2018. Vol. 13(1). P. e0190137.Ramo N.L., Puttlitz C.M., Troyer K.L. The development and validation of a numerical integration method for non-linear viscoelastic modeling. PLoS One. 2018;13(1):e0190137.Diani J., Fayolle B., Gilormini P. A review on the Mullins effect. European Polymer Journal. 2009. No. 45. P. 601–612.Diani J., Fayolle B., Gilormini P. A review on the Mullins effect. European Polymer Journal. 2009;45:601-612.Cantournet S., Desmorat R., Besson J. Mullins effect and cyclic stress softening of filled elastomers by internal sliding and friction thermodynamics model // International Journal of Solids and Structures. 2009. No. 46. P. 2255–2264.Cantournet S., Desmorat R., Besson J. Mullins effect and cyclic stress softening of filled elastomers by internal sliding and friction thermodynamics model. International Journal of Solids and Structures. 2009;46:2255-2264.Beatty M.F. The Mullins Effect in a Pure Shear // Journal of Elasticity. 2000. No. 59. P. 369–392.Beatty M.F. The Mullins Effect in a Pure Shear. Journal of Elasticity. 2000; 59:369-392.Andre´a M., Wriggers P. Thermo-mechanical behaviour of rubber materials during vulcanization // International Journal of Solids and Structures. 2005. No. 42. P. 4758–4778.Andre´a M., Wriggers P. Thermo-mechanical behaviour of rubber materials during vulcanization. International Journal of Solids and Structures. 2005;42:4758–4778.Matin Z., Moghimi Zand M., Salmani Tehrani M., et al. A visco-hyperelastic constitutive model of short- and longterm viscous effects on isotropic soft tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers // Journal of Mechanical Engineering Science. 2020. Vol. 234, No. 1. P. 3–17. doi:10.1177/0954406219875771Matin Z., Moghimi Zand M., Salmani Tehrani M., et al. A visco-hyperelastic constitutive model of short- and long-term viscous effects on isotropic soft tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Journal of Mechanical Engineering Science. 2020;234(1):3-17. doi:10.1177/0954406219875771Khajehsaeid H., Arghavani J., Naghdabadi R., Sohrabpour S. A visco-hyperelastic constitutive model for rubberlike materials: A rate-dependent relaxation time scheme // International Journal of Engineering Science. 2014. Vol. 79. P. 44–58.Khajehsaeid H., Arghavani J., Naghdabadi R., Sohrabpour S. A visco-hyperelastic constitutive model for rubberlike materials: A rate-dependent relaxation time scheme. International Journal of Engineering Science. 2014;79:44-58.Чернышова А., Коломиец Л., Чекалкин Т. и др. Щадящая хирургия с использованием трикотажных сетчатых имплантатов TiNi и сторожевых лимфатических узлов: 10-летний опыт // Журнал следственной хирургии. 2020.Chernyshova A., Kolomiets L., Chekalkin T., et al. Shchadyashchaya hirurgiya s ispol'zovaniyem trikotazhnyh setchatyh implantatov TiNi i storozhevyh limfaticheskih uzlov: 10-letniy opyt [Sparing surgery with TiNi knitted mesh implants and sentinel lymph nodes: 10 years of experience]. Zhurnal sledstvennoy khirurgii – Journal of Investigative Surgery. 2020 (In Russ.).Гюнтер В., Радкевич А., Кан С.Б. и др. Исследование вязаного сетчатого трансплантата TiNi в модели краниопластики кролика // Экспресс по биомедицинской физике и технике. 2019. № 5 (2). С. 027005.Gyunter V., Radkevich A., Kan S.B., et al. Issledovaniye vyazanogo setchatogo transplantata TiNi v modeli kranioplastiki krolika [Study of a TiNi knitted mesh graft in a rabbit cranioplasty model]. Ekspress po biomeditsinskoy fizike i tekhnike – Express on Biomedical Physics and Technology. 2019;5(2):027005 (In Russ.).Штин В., Новиков В., Чекалкин Т. и др. Восстановление дефектов орбитальной посттравматической стенки с помощью изготовленных на заказ эндотрансплантатов из сетки TiNi // Журнал функциональных биоматериалов. 2019. Т. 10, № 3. С. 27.Shtin V., Novikov V., Chekalkin T., et al. Vosstanovleniye defektov orbital'noy posttravmaticheskoy stenki s pomoshch'yu izgotovlennyh na zakaz endotransplantatov iz setki TiNi [Repair of post-traumatic orbital wall defects with custom-made tini mesh endografts]. Zhurnal funktsional'nykh biomaterialov – Journal of Functional Biomaterials. 2019;10(3):27 (In Russ.).Otsuka K. and Miyazaki S. SPEY 14. Reports of Special Project Research on Energy. The Scientific Research of the Ministry of Education. 1985. 51 с.Otsuka K. and Miyazaki S. SPEY 14. Reports of Special Project Research on Energy. The Scientific Research of the Ministry of Education. 1985: 51.Yahia L., Ryhänen J. Shape Memory Implants. New York: Springer, Berlin, Heidelberg, 2000. С. 3–23. https://doi.org/10.1007/978-3-642-59768-8_1Yahia L., Ryhänen J. Shape Memory Implants. New York: Springer, Berlin, Heidelberg, 2000:3-23. https://doi.org/10.1007/978-3-642-59768-8_1Deepak Kapoor. Nitinol for Medical Applications: A Brief Introduction to the Properties and Processing of Nickel Titanium Shape Memory Alloys and their Use in Stents // Johnson Matthey Technol. 2017. Vol. 61, No. 1. P. 66–76 http://dx.doi.org/10.1595/205651317X694524Deepak Kapoor. Nitinol for Medical Applications: A Brief Introduction to the Properties and Processing of Nickel Titanium Shape Memory Alloys and their Use in Stents. Johnson Matthey Technol. 2017;61(1):66-76 http://dx.doi.org/10.1595/205651317X694524Bergström J.S., Boyce M.C. Constitutive modelling of the large strain time-dependent behavior of elastomers // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1998. Vol. 46, No. 5. P. 931-954. https://doi.org/10.1016/S0022-5096(97)00075-6Bergström J.S., Boyce M.C. Constitutive modelling of the large strain time-dependent behavior of elastomers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1998;46(5):931-954.Гюнтер В.Е., Марченко Е.С., Гюнтер С.В., Байгонакова Г.А. Влияние поверхностного слоя на сочетание свойств тонких проволок из сплава TiNi // Письма по технической физике. 2018. Т. 44, № 9. С. 811–813.Gunther V.E., Marchenko E.S., Gunther S.V., Baygonakova G.A. Vliyaniye poverhnostnogo sloya na sochetaniye svoystv tonkih provolok iz splava TiNi [Influence of the surface layer on the combination of properties of thin wires from the TiNi alloy]. Letters on Technical Physics. 2018;44(9):811-813 (In Russ.).Elibol C., Wagner M.F.-X. Strain rate effects on the localization of the stress-induced martensitic transformation in pseudoelastic NiTi under uniaxial tension, compression and compression–shear // Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 643. P. 194–202. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.07.039Elibol C., Wagner M.F.-X. Strain rate effects on the localization of the stress-induced martensitic transformation in pseudoelastic NiTi under uniaxial tension, compression and compression-shear. Materials Science and Engineering. 2015;643:194-202. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.07.039Chen I.W., Chiao Y.H. Statistics of martensitic nucleation // Acta Metall. 1985. No. 33. P. 1827.Chen I.W., Chiao Y.H. Statistics of martensitic nucleation. Acta Metall. 1985;33:1827.Saburi T., Nenno S., Tamura I. Proceedings of the International Conference on Martensitic Transformations. Nara: The Japan Inst Metals, 1986. 671 p.Saburi T., Nenno S., Tamura I. Proceedings of the International Conference on Martensitic Transformations. Nara: The Japan Inst Metals, 1986. 671 p.Waitz T., Kazykhanov V., Karnthaler H.P. Martensitic phase transformations in nanocrystalline TiNi studied by TEM // Acta Materialia. 2004. No. 52(1). P. 137–147 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.036Waitz T., Kazykhanov V., Karnthaler H.P. Martensitic phase transformations in nanocrystalline TiNi studied by TEM. Acta Materialia. 2004;52(1):137-147. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.036Waitz T. The self-accommodated morphology of martensite in nanocrystalline TiNi shape memory alloys // Acta Materialia. 2005. No. 53(8). P. 2273-2283. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.01.033Waitz T. The self-accommodated morphology of martensite in nanocrystalline TiNi shape memory alloys. Acta Materialia. 2005;53(8):2273-2283. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.01.033Yu Chao, Kang Guozheng, Xie Xi, Rao Wei. A micromechanical model for the grain size dependent super-elasticity degeneration of TiNi shape memory alloys // Mechanics of Materials. 2018. No. 125. P. 35–51. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2018.07.008Yu Chao, Kang Guozheng, Xie Xi, Rao Wei. A micromechanical model for the grain size dependent superelasticity degeneration of TiNi shape memory alloys. Mechanics of Materials. 2018;125:35-51 https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2018.07.008Kshitiz Upadhyay, Ghatu Subhash, Douglas Spearot. Visco-hyperelastic constitutive modeling of strain rate sensitive soft materials // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2020. No. 135. P. 103777Kshitiz Upadhyay, Ghatu Subhash, Douglas Spearot. Visco-hyperelastic constitutive modeling of strain rate sensitive soft materials. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2020;135:103777.Zahra Matin Ghahfarokhi, Mahdi Moghimi Zand, Mehdi Salmani Tehrani, Brianna Regina Wendland, Roozbeh Dargazany. A visco-hyperelastic constitutive model of short- and long-term viscous effects on isotropic soft tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers // Journal of Mechanical Engineering Science. – 2020. – No. 234(1). – P. 3–17. doi:10.1177/0954406219875771Zahra Matin Ghahfarokhi, Mahdi Moghimi Zand, Mehdi Salmani Tehrani, Brianna Regina Wendland, Roozbeh Dargazany. A visco-hyperelastic constitutive model of short- and long-term viscous effects on isotropic soft tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Journal of Mechanical Engineering Science. 2020;234(1):3-17. doi:10.1177/0954406219875771

The authors declare that there are no conflicts of interest present.