МОДЕЛЬ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧНОСТИ ПОЛИЛАКТИДА ДЛЯ АНАЛИЗА ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОСТНЫХ РЕШЕТЧАТЫХ СКАФФОЛДОВ НА РАЗНЫХ СТРУКТУРНЫХ УРОВНЯХ

Сведения об авторах

Аннотация

Решетчатые структуры из биоразлагаемых полимеров (скаффолды) используются в биомедицинских приложениях для замещения поврежденной костной ткани. Для понимания связанных деформационных и биологических процессов, происходящих в микронеоднородном материале, необходимо использование адекватной модели упруговязкопластичности материала. С этой целью предпринято экспериментальное исследование полилактида, включающего следующие программы нагружения: (а) несколько циклов одноосного стесненного сжатия с различными скоростями деформирования, (б) одноосное свободное сжатие с различными скоростями деформирования, (в) одноосное свободное сжатие по программе нагружения с циклами нагружения и разгрузки с выдержками со ступенчатыми повышением максимального напряжения, а также (г) одноосное свободное сжатие по треугольным отнулевым циклам нагружения при различных значениях максимального напряжения. Для численного исследования особенностей неоднородного распределения деформаций и напряжений при деформировании решетчатого скаффолда из полилактида сжатием в зависимости от скорости деформирования использована модель упругопластичности с законом упрочнения Джонсона – Кука, константы которой были определены экспериментально по данным испытаний (а)–(б). Обнаружено, что с увеличением деформаций сжатия образца скаффолда от 2,7 до 10,7 % начинает заметно проявляться зависимость пространственного распределения эквивалентных напряжений и скоростей деформаций от скорости деформации сжатия, приложенной к образцу, в диапазоне изменения от 1,11‧10-4 до 1,11‧10-1 с-1. Это показывает важность учета зависимости упруговязкопластических свойств полилактида от скорости деформации для корректного описания локализации пластической деформации и концентрации напряжений, влияющих на микромеханику различных физико-химических и механических процессов в скаффолдах в условиях эксплуатации. Также установлено, что использованная для описания одноосного нагружения модель упругопластичности качественно описывает поведение сплошных образцов полилактида при их нагружении: релаксацию напряжений на этапах выдержки при превышении напряжения текучести, а также накопление вязкопластических деформаций в циклах (рэтчетинг). Данные эффекты представляются важными для описания деформирования скаффолдов из полилактида в процессах отнулевого циклического нагружения с выдержками при максимальных значениях, повторяющих ходьбу человека.

Ключевые слова

полилактидкостные скаффолдыFDM-печатьмодель упруговязкопластичностирэтчетингзависимость от скорости деформацийзакон упрочнения Джонсона – Кукачисленный расчетэкспериментмикромеханика

Литература

  1. 1.Bioimplants for the Reconstructive Surgery and Local Delivery of Chemo-Immunoagents / N.Y. Anisimova, N.S. Martynenko, O.V Rybalchenko [et al.]. – Cham : Springer International Publishing, 2024. – P. 1–43. Scholar
  2. 2.Davison, N.L. Degradation of Biomaterials / N.L. Davison, F. Barrère-de Groot, D.W. Grijpma // Tissue Engineering. – Elsevier, 2014. – P. 177–215. Scholar
  3. 3.Development of Bioactive Scaffolds for Orthopedic Applications by Designing Additively Manufactured Titanium Porous Structures: A Critical Review / M.V. Kiselevskiy, N.Y. Anisimova, A.V. Kapustin [et al.] // Biomimetics. – 2023. – Vol. 8, no. 7. – P. 546. Scholar
  4. 4.Elenskaya, N. TPMS-based scaffolds: Adaptation of morphological properties and mechanical response to reference tissue / N. Elenskaya, M. Tashkinov, V.V. Silberschmidt // International Journal of Solids and Structures. – 2025. – Vol. 315, no. January. – P. 113366. Scholar
  5. 5.How does mechanical stimulus affect the coupling process of the scaffold degradation and bone formation: An in silico approach / Q. Shi, H. Shui, Q. Chen, Z.-Y. Li // Computers in Biology and Medicine. – 2020. – Vol. 117. – P. 103588. Scholar
  6. 6.Experimental Evaluation of the Effect of Degradation on the Mechanical Behavior and Morphometric Characteristics of Functionally Graded Polymer Scaffolds / N. Elenskaya, I. Vindokurov, E. Sadyrin [et al.] // Polymers. – 2024. – Vol. 16, no. 24. – P. 3474. Scholar
  7. 7.Chaboche, J.L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories / J. L. Chaboche // International Journal of Plasticity. – 2008. – Vol. 24, no. 10. – P. 1642–1693. Scholar
  8. 8.Han, C. Evaluation of multiaxial fatigue criteria under irregular loading / C. Han, X. Chen, K.S. Kim // International Journal of Fatigue. – 2002. – Vol. 24, no. 9. – P. 913–922. Scholar
  9. 9.Abdel-Karim, M. Modified kinematic hardening rules for simulations of ratchetting / M. Abdel-Karim // International Journal of Plasticity. – 2009. – Vol. 25, no. 8. – P. 1560–1587. Scholar
  10. 10.Самарин, Ю.П. Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами / Ю.П. Самарин. – Куйбышев: Куйбышевский государственный университет, 1979. – 78 p. Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 4, 2025)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
08.12.2025
В выпуске
08.12.2025
Выпуск
№ 4 (2025)
Поделиться