Μηχανική απόκριση κοχλιών σπονδυλοδεσίας υπό διατμητική φόρτιση

Χελιδώνης, Γεράσιμος; Chelidonis, Gerasimos

dc.contributor.author	Χελιδώνης, Γεράσιμος	el
dc.contributor.author	Chelidonis, Gerasimos	en
dc.date.accessioned	2026-05-15T09:13:38Z
dc.date.available	2026-05-15T09:13:38Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/64664
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.32358
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Κοχλίες σπογγώδους οστού	el
dc.subject	Διατμητική φόρτιση	el
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Finite elements	en
dc.subject	Cancellous bone screws	en
dc.subject	Shear loading	en
dc.title	Μηχανική απόκριση κοχλιών σπονδυλοδεσίας υπό διατμητική φόρτιση	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εμβιομηχανική	el
heal.classification	Πεπερασμένα στοιχεία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-12-09
heal.abstract	Πρωταρχικός σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η αξιολόγηση του μήκους σπειρώματος κοχλιών σπογγώδους οστού μετά την τοποθέτησή τους σε σύνθετο υλικό, υποκατάστατο οστού, με πειραματική διαδικασία που περιλάμβανε την επιβολή διατμητικής φόρτισης στα δοκίμια. Παράλληλα, αναπτύχθηκε αριθμητικό μοντέλο με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, με σκοπό την προσομοίωση της μηχανικής απόκρισης του συστήματος και την παραμετρική διερεύνηση παραμέτρων που δεν ήταν εφικτό να εξεταστούν πειραματικά. Για τον σκοπό αυτό, εξετάστηκαν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των κοχλιών οστεοσύνθεσης που συνδέονται με τη γεωμετρία και τη λειτουργία τους και διερευνήθηκε η επίδραση κρίσιμων παραγόντων στην εμβιομηχανική συμπεριφορά τους. Αρχικά, παρουσιάζονται οι ιδιότητες του οστικού ιστού, τόσο σε μικροσκοπικό επίπεδο όσο και σε μακροσκοπικό, καθώς και η εμβιομηχανική του απόκριση με σκοπό την κατανόηση των θεμελιωδών χαρακτηριστικών που καθορίζουν τη συμπεριφορά του. Στη συνέχεια, αναλύονται οι τύποι καταγμάτων και οι τεχνικές οστεοσύνθεσης που εφαρμόζονται στην κλινική πράξη, ώστε να αναδειχθεί η σημασία της σωστής επιλογής και τοποθέτησης των κοχλιών για την επιτυχία της σταθεροποίησης. Τέλος, δίνεται έμφαση στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κοχλιών σπονδυλοδεσίας και τον τρόπο με τον οποίο αυτά επηρεάζουν την αλληλεπίδρασή τους με το οστό και την συνολική συμπεριφορά της κατασκευής. Ακολούθως, διερευνήθηκε ειδικότερα ένα μεμονωμένο γεωμετρικό χαρακτηριστικό των κοχλιών, το μήκος σπειρώματος, μέσα από τον σχεδιασμό και την εκτέλεση δοκιμών υπό διατμητικές φορτίσεις. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν κοχλίες μερικής σπείρωσης σπογγώδους οστού, με κύρια διάμετρο 6,5 mm, οι οποίοι διέθεταν δύο διαφορετικά μήκη σπειρώματος. Στην ομάδα Α τοποθετήθηκαν κοχλίες με μήκος σπειρώματος 16 mm, ενώ στην ομάδα Β αντίστοιχα κοχλίες με μήκος σπειρώματος 32 mm. Τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε διατμητική φόρτιση στο πλαίσιο MTS Insight, υπό συνθήκες ελέγχου μετατόπισης, με τη σχετική ολίσθηση να επιβάλλεται ανάμεσα στους δύο κύβους συνθετικού οστού (sawbone). Για κάθε δοκίμιο καταγράφηκε η καμπύλη δύναμης-μετατόπισης, βάση της οποίας υπολογίστηκαν η δυσκαμψία, το όριο αναλογίας, η συμβατική δύναμη διαρροής και η αντίστοιχη μετατόπιση. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν μεταξύ των δύο ομάδων προκειμένου να διαπιστωθεί η ύπαρξη στατιστικά σημαντικών διαφορών στις υπό εξέταση μηχανικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η ομάδα Β, στην οποία χρησιμοποιήθηκαν κοχλίες με μήκος 32 mm, είχε στατιστικά σημαντικά μεγαλύτερη δυσκαμψία, όριο αναλογίας και δύναμη διαρροής συγκριτικά με την ομάδα Α, στην οποία χρησιμοποιήθηκαν κοχλίες με μήκος σπειρώματος 16 mm. Δε διαπιστώθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά στη μετατόπιση διαρροής μεταξύ των δύο ομάδων. Παράλληλα, αναπτύχθηκε αριθμητικό μοντέλο με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, με στόχο την προσομοίωση της μηχανικής απόκρισης του συστήματος και τη διερεύνηση παραμέτρων που δεν ήταν εφικτό να εξεταστούν πειραματικά. Το μοντέλο περιλάμβανε τις γεωμετρίες των κοχλιών μερικής σπείρωσης και συνθετικού σπογγώδους οστού, όπως στις πειραματικές δοκιμές, και ορίστηκαν οι κατάλληλες συνθήκες φόρτισης και επαφών. Με βάση το επαληθευμένο μοντέλο πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη παραμετρική ανάλυση, εξετάζοντας τις επιδράσεις των συνθηκών φόρτισης και επαφών,των ιδιοτήτων του υλικού καθώς και γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κοχλία. Από τις αντίστοιχες καμπύλες δύναμης-μετατόπισης που προέκυψαν υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του συστήματος. Αν και το αριθμητικό μοντέλο κατάφερε να προσεγγίσει τη συνολική απόκριση του συστήματος και να αποδώσει με συνέπεια ορισμένες βασικές αρχές και ιδιότητες, παρουσίασε και αποκλίσεις από τα πειραματικά αποτελέσματα θέτοντας βάσεις για συζήτηση σε μελλοντική διερεύνηση με πεπερασμένα στοιχεία. Από την παρούσα μελέτη διαπιστώνεται πως το μήκος σπειρώματος αποτελεί ένα σημαντικό γεωμετρικό χαρακτηριστικό των κοχλιών σπονδυλοδεσίας που μπορεί να επηρεάσει, όχι μόνο τη δύναμη εξόλκευσης των κοχλιών, έτσι όπως διαπιστώνεται στη βιβλιογραφία, αλλά και τη μηχανική απόκριση της οστεοσύνθεσης, όταν αυτή υπόκειται σε φορτίο διάτμησης. Παράλληλα, η αριθμητική ανάλυση που υλοποιήθηκε συνιστά μια πρώτη προσπάθεια προσομοίωσης του πειράματος με πεπερασμένα στοιχεία και αναδεικνύει τις δυνατότητες αλλά και τους περιορισμούς μιας τέτοιας προσέγγισης, ανοίγοντας το πεδίο για σημαντικές βελτιώσεις σε μελλοντικές μελέτες. Συνολικά, η παρούσα εργασία μπορεί να θέσει τα θεμέλια για περαιτέρω έρευνα που θα εξετάσει εκτενέστερα τη συμπεριφορά διαφόρων κοχλιών σε οστεοσυνθέσεις υπό διατμητικά φορτία, τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά.	el
heal.abstract	The primary purpose of this study is to evaluate the effect of thread length in cancellous bone screws after their placement in a synthetic bone substitute, using an experimental procedure that involved applying shear loading to the specimens. At the same time, a numerical model was developed using finite element method to simulate the mechanical response of the system and to investigate parameters that could not be examined experimentally. For this purpose, the specific characteristics of osteosynthesis screws related to their geometry and function were examined, and the influence of critical factors on their biomechanical behavior was investigated. Initially, the properties of bone tissue, both the microscopic and macroscopic level, as well as its biomechanical response, are presented to understand the fundamental characteristics that determine its behavior. Subsequently, the types of fractures and the osteosynthesis techniques applied in clinical practice are analyzed, highlighting the importance of proper screw selection and placement for successful stabilization. Finally, emphasis is placed on the geometrical characteristics of osteosynthesis screws and the way in which these characteristics affect their interaction with the bone and the overall behavior of the construct. Subsequently, a single geometrical characteristic of the screws, the thread length, was specifically investigated through the design and execution of tests under shear loading. Partially threaded cancellous screws with a major diameter of 6.5 mm and two different thread lengths were used. In Group A, screws with a thread length of 16 mm were inserted, while in Group B screws with a thread length of 32 mm were used. The specimens were subjected to shear loading in an MTS Insight testing frame under displacement-controlled conditions, with relative sliding applied between the two synthetic bone blocks. For each specimen, the force-displacement curve was recorded, based on which stiffness, proportional limit, yield force and the corresponding displacement were calculated. The results were compared between the two groups to determine whether statistically significant differences existed in the mechanical properties under investigation.The results showed that Group B, in which screws with a thread length of 32 mm were used, exhibited statistically significant higher stiffness, proportional limit and yield force compared to Group A, in which screws with a thread length of 16 mm were used. No statistically significant difference was observed in yield displacement between the two groups. In parallel, a numerical model was developed using finite element method, with the aim of simulating the mechanical response of the system and investigation parameters that could not be examined experimentally. The model included the geometries of partially threaded screws and synthetic cancellous bone substitutes, as in the experimental tests, and the appropriate loading and contact conditions were defined. Based on the validated model, an extensive parametric analysis was performed, examining the effects of loading and contact conditions, material properties, as well as geometrical characteristics of the screw. From the corresponding force-displacement curves, the mechanical properties of the system were calculated. Although the numerical model succeeded in approximating the overall response of the system and consistently reproducing certain basic principles and properties, it also showed discrepancies from the experimental results, laying thegroundwork for discussion in future finite elements investigation. From the present study it is concluded that thread length is an important geometrical characteristic of cancellous bone screws that can affect not only the pull-out strength of the screws, as reported in literature, but also the mechanical response of the osteosynthesis when subjected to shear loading. At the same time, the numerical analysis carried out represents both the potential and the limitations of such an approach, opening the way for significant improvements in future studies. Overall, this work may provide the basis for further research that will examine in greater depth the behavior of different screws in osteosynthesis under shear loading, both experimentally and numerically.	en
heal.advisorName	Κουρκουλής, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Κουρκουλής, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννακόπουλος, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Ερμιόνη, Πάσιου	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Μηχανικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	111 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false