Клиническое применение металлотрикотажа из никелида титана на основе количественной оценки реологического подобия мягким биологическим тканям

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.

1. Maccabi 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.0191919

2. Lattore 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.2016.08.006

3. Victor 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.2014.1030

4. Yadav 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/404/1/012013

5. 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. Vol. 13(1). P. e0190137.

6. Diani J., Fayolle B., Gilormini P. A review on the Mullins effect. European Polymer Journal. 2009. No. 45. P. 601–612.

7. 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.

8. Beatty M.F. The Mullins Effect in a Pure Shear // Journal of Elasticity. 2000. No. 59. P. 369–392.

9. 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.

10. 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:10.1177/0954406219875771

11. 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. Vol. 79. P. 44–58.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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_1

17. Deepak 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/10.1595/205651317X694524

18. Bergström 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)00075-6

19. 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.

20. 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.2015.07.039

21. Chen I.W., Chiao Y.H. Statistics of martensitic nucleation // Acta Metall. 1985. No. 33. P. 1827.

22. Saburi T., Nenno S., Tamura I. Proceedings of the International Conference on Martensitic Transformations. Nara: The Japan Inst Metals, 1986. 671 p.

23. 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.2003.08.036

24. Waitz 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.2005.01.033

25. Yu 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.2018.07.008

26. Kshitiz 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. 103777

27. 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:10.1177/0954406219875771