Εμβιομηχανική Μελέτη και Κατασκευή Ορθοπέδικου Τεχνητού Συνδέσμου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η δυνατότητα κατασκευής ενός τεχνητού ορθοπεδικού συνδέσμου για την αντικατάσταση του σκαφομηνοειδούς συνδέσμου σε περίπτωση ρήξης. Αρχικά, καθώς το εμβιομηχανικό πρόβλημα του σκαφομηνοειδούς διαχωρισμού λαμβάνει χώρα σε έναν ιδιαίτερα πολύπλοκο, ανατομικά και εμβιομηχανικά χώρο όπως είναι η άρθρωση του καρπού, ήταν απαραίτητη η μελέτη της ανατομίας και της κινηματικής της άρθρωσης αυτής καθώς επίσης και η εκτίμηση της συνεισφοράς του σκαφομηνοειδούς συνδέσμου σε αυτήν. Πριν εξετάσουμε αναλυτικά τις εμβιομηχανικές ιδιότητες του συγκεκριμένου συνδέσμου προχωρήσαμε σε μια εις βάθος μελέτη τόσο του μηχανισμού κάκωσής του όσο και των διαφορετικών μεθόδων αποκατάστασης που εφαρμόζονται σήμερα για κάθε φάση του σκαφομηνοειδούς διαχωρισμού. Στην προσπάθεια προσδιορισμού των προϋποθέσεων για τη λειτουργία του συγκεκριμένου μηχανικού ανάλογου, κρίθηκε αναγκαία η περεταίρω επεξεργασία πρωτογενών αποτελεσμάτων προηγούμενων πειραμάτων στον φυσιολογικό σκαφομηνοειδή σύνδεσμο. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν μετέπειτα ως οδηγός για την εκτίμηση της καταλληλότητας μιας σειράς υλικών. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, διερευνήθηκε και ο σχεδιασμός του εν λόγω τεχνητού συνδέσμου. Για το σκοπό αυτό εξετάζονται και παρουσιάζονται διαφορετικά σχέδια όπως αυτά προέκυψαν κατά τη διάρκεια της έρευνας. Για κάθε ένα από αυτά παραθέτονται τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα καθώς και η διαδικασία διερεύνησης που οδήγησε στην επιλογή του καθενός Το πειραματικό σκέλος της διπλωματικής αυτής περιλαμβάνει την μηχανική μελέτη ελαστικών με βάση τις παραπάνω προϋποθέσεις με σκοπό τον προσδιορισμό της καταλληλότητας τους. Πιο συγκεκριμένα. πραγματοποιήσαμε μελέτη μονοαξονικού εφελκυσμού σε ελαστικά σιλικόνης, βουτυλίου και EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer (M-class rubber)) υπό διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης. Ο στόχος των δοκιμών ήταν να εξετάσει τη μηχανική συμπεριφορά των ελαστικών αυτών σε συνδυασμό με την επίδραση των βισκοελαστικών χαρακτηριστικών τους. Ιδιαίτερα στην περίπτωση του ελαστικού EPDM πραγματοποιήθηκαν και δοκιμές κυκλικής φόρτισης και εν συνεχεία μονοαξονικού εφελκυσμού με σκοπό την διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς του μετά από επαναλαμβανόμενες φορτίσεις. Η εργασία καταλήγει στην συναξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις τιμές των πραγματικών σκαφομηνοειδών συνδέσμων και την παρουσίαση των συμπερασμάτων από το σύνολο της ερευνητικής διαδικασίας και του σχεδιασμού.

This thesis forms part of a major research program whose scope is to develop a scapholunate artificial ligament. Its task was defined as to prescribe the properties of candidate materials, that could be used in the construction of such a ligament. In order to achieve this target, an effort has been made to understand the physiological aspects, both mechanical and physiological. Although it can not be claimed to have arrived to a definite conclusion, a number of points have been set that are considered to help in answering the question. The first step has been the physiological description of the carpal structure. We arrived at the conclusion, that the movement is complex. The rarity of data does not permit us to analyze it as a simple combination of mechanical connections. An interesting part of the analysis concerns extreme loading of the carpal region. The various ways of failure of the parts of the carpal ligaments, and especially the scapholunate ligament, is examined. This is coupled with the examination of the available means of repairing a damaged ligament. The main characteristic of these repair methods is the limitation of movement and the relevant ignorance of the level of stresses that result. A number of pioneering tests both on cadaver specimens, as well as with living persons, have provided us with a limited but precious number of measurements. In an effort to extract the maximum of information from these measurements, a further analysis has been attempted and a number of conclusions, as to the limits of carpal movements in various modes and directions, have been extracted. Designing an artificial ligament proved a formidable task. Its main difficulty rests in the extremely limited space and resulting small dimensions that the various parts are allowed to have. A number of artificial ligament designs has been conceived, criticized and partly rejected. Two designs, though, seem to behave as wanted. The first is based on using an enhanced bellows and consists of a uniaxial connection. The second is a bi-dimensional connection like the water stops in concrete design. This last type presents a remarkable advantage as to the placement possibility, in that it is placed vertically from the above side which is much easier then the longitudinal sideways hole piercing usually followed. These designs are to be tested in the course of the major research project. Further analyzing data from tests on true ligament material has provided us with important information as to the required material properties. Probably the most important intermediate result of this data treatment has been the conclusion that since it is not possible to describe the various movements and especially their limits, it is necessary to construct the artificial ligament with material that meets best the properties of the physiological material of the real ligament. This is necessary in order to assure at best that the behaviour of the artificial ligament will be as close as possible to that of the real one. Another aspect of data analyzing which is considered original is that the dispersion of values in the low stress region is high, especially compared to the values of the higher stress values that correspond to the linear elastic region before failure. Therefore, it is understood that the precise values of stiffness in the low region is not important as it varies a lot between individuals, randomly as well as related to sex, age, orientation, exercise, speed etc. On the contrary, stiffness values in the linear region are more important to comply with the real values as they behave almost identically. This difference has been explained as being related to the mechanical behavior. In particular, in the low stresses region behavior depends on the sinusoidal form and mix of collagen, which is more or less random between individuals. As straining advances, the collagens become oriented and strained and further straining depends mainly on the collagen’s material properties, which are mostly common between individuals, thereof their common stiffness characteristics. We have carried out tests on elastic boutile, elastic silicon and elastic EPDM. Restrictions as to the acceptable values have been derived based on the required loading and the limit values of dimensions of the possible artificial ligament. Following this procedure the silicon material has been ruled out. On the contrary the other two have been accepted although the EPDM proves to be able to provide the necessary maximum strength which the boutile cannot. The stiffness of the boutile and EPDM is close to the average value of the various tests and therefore may be considered acceptable as a starting point for use as ligament material. Further, cyclic loading has been attempted in order to show whether viscous behavior is a problem in long term function. Positive results have been obtained in the case of the EPDM elastic. It is suggested that further testing is necessary, with testing also in conditions involving cycling loading in human body temperature and bio-compatibility.