Design and strength analysis of a novel spherical hinge bio-Implant for the Human Metacarpophalangeal Finger Joint 

ملخص تقني: تصميم وتحليل قوة غرسة حيوية لمفصل مفصلي كروي جديد لمفصل الأصابع المفاصل المشطية السلامية لدى الإنسان

بيان المشكلة
يعد المفصل المشطي السلامي (MCP) حيوياً لوظيفة اليد، حيث يتيح الإمساك، والقرص، والكتابة. ومع ذلك، فإن حالات مثل التهاب المفاصل الروماتويدي والتهاب المفاصل العظمي تضعف حركة المفصل وقوته بشكل كبير. وبينما يعد استبدال المفصل باستخدام غرسات مرنة قطعة واحدة (مثل Swanson وAvanta وNeuflex) علاجاً قياسياً، إلا أن التصميمات الحالية تواجه قيوداً. تشير البيانات السريرية إلى معدلات كسر عالية (تصل إلى 67% لغرسات Swanson) وتركيزات إجهاد عند نقطة التقاء المفصل بالساق أو عند المفصل المركزي. علاوة على ذلك، فإن النطاق الوظيفي للحركة (ROM) الذي تحققه الغرسات الحالية غالباً ما يقل عن قدرة المفصل الطبيعي (حوالي 90 درجة ثني)، وهناك نقص في الدراسات الشاملة التي تتنبأ بعمر الكلال (fatigue life) وقوة هذه الغرسات الحيوية المرنة.

المنهجية
يركز هذا البحث على تصميم وتحليل العناصر المحدودة (FEA) لغرسة مرنة جديدة قطعة واحدة تتميز بمفصل كروي، تهدف إلى استبدال المفصل ذي النوع الصندوقي المستطيل الموجود في غرسة Neuflex.

• تطوير التصميم: تم تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد للغرسة الجديدة في برنامج SolidWorks. وتتضمن الميزات التصميمية الرئيسية ما يلي:

  • المفصل الكروي: يستبدل المفصل الصندوقي لتحسين محاكاة الشكل الكروي الطبيعي لرأس عظمة مشط اليد، ومن المحتمل أن يعزز ذراع عزم وتر العضلة.
  • الفتحات: تسهل فتحة بيضاوية في الجزء العلوي من المفصل عملية فرط التمدد، بينما تسهل فتحة على شكل حرف "V" مقلوب في الجزء السفلي عملية الثني.
  • التحني (Pre-flexion): تم تصميم الساق بحيث تكون منحنية مسبقاً بزاوية 30 درجة لمحاكاة وضع الراحة الطبيعي للإصبع، مما يقلل الإجهاد أثناء الحركة.
  • الأبعاد: يستخدم النموذج أبعاداً مستمدة من غرسة Swanson (المقاس 7) وبيانات تشريحية لعظام مشط اليد والسلاميات القريبة لضمان إمكانية المقارنة مع الأدبيات الحالية.

• المادة والمحاكاة:

  • المادة: تم نمذجة مطاط السيليكون الطبي (Anasil) باستخدام نموذج Arruda-Boyce ثنائي المعلمات للمواد فائقة المرونة (hyperelastic) لأخذ السلوك غير القابل للانضغاط والتشوه الكبير في الاعتبار.
  • الشبكة (Meshing): تم استخدام عنصر رباعي الأوجه ذي 10 عقد (C3D10H) مع صيغة هجينة، مع تطبيق شبكة دقيقة على منطقة المفصل الحرجة.
  • الشروط الحدية: تم تثبيت ساق عظمة مشط اليد تماماً. وتم ربط الساق القريبة بنقطة مرجعية عند مركز المفصل، مع تقييدها بالدوران حول محور z.
  • التحميل: تم تطبيق تحميل الإزاحة لمحاكاة حركة المفصل الواقعية: فرط تمدد بمقدار 30 درجة يليه ثني من الوضع المحايد (30 درجة) إلى 90 درجة.
  • تحليل الكلال: تم التنبؤ بعمر الكلال باستخدام إضافة FE-SAFE/Rubber (حلول Endurica) داخل برنامج ABAQUS، مع التركيز على دورات الثني.

المساهمات الرئيسية

1. التصميم المبتكر: تقديم هندسة مفصل كروي مع فتحات محددة لتحسين نطاق الحركة والدقة التشريحية مقارنة بالمفصل الصندوقي القياسي.
2. تحليل الإجهاد المقارن: إجراء مقارنة مباشرة عبر العناصر المحدودة بين المفصل الكروي الجديد وغرسة Neuflex تحت ظروف تحميل متطابقة.
3. التنبؤ بعمر الكلال: استخدام حلول تعب المطاط المتخصصة لتقدير دورة حياة التصميم الجديد مقابل غرسة Neuflex، وهو مقياس يفتقر إليه العديد من دراسات الغرسات المرنة السابقة.

النتائج
أسفر تحليل العناصر المحددة عن مقارنات كمية بين غرسة المفصل الكروي الجديد وغرسة Neuflex:

• تقليل الإجهاد:

  • خلال فرط التمدد (30 درجة)، أظهرت الغرسة الجديدة أقصى إجهاد "فون ميسيس" (von Mises) قدره 0.705 ميجا باسكال، مقارنة بـ 0.922 ميجا باسكال لغرسة Neuflex، مما يمثل انخفاضاً بنسبة 23.54%.
  • خلال الثني (90 درجة)، أظهرت الغرسة الجديدة أقصى إجهاد "فون ميسيس" قدره 2.106 ميجا باسكال، مقارنة بـ 3.121 ميجا باسكال لغرسة Neuflex، مما يمثل انخفاضاً بنسبة 32.52%.
  • في كلتا الحالتين، ظل أعلى إجهاد مركزاً في منطقة المفصل المركزية، لكن مقدار الإجهاد كان أقل بكثير في التصميم الجديد.

• عزم الارتكاز (Reaction Moments):

  • كان عزم الارتكاز أثناء فرط التمدد أقل بنسبة 43.49% في المفصل الكروي (4.17 نيوتن-مم) مقارنة بـ Neuflex (7.38 نيوتن-مم).
  • كان عزم الارتكاز أثناء الثني أقل بنسبة 36.49% في المفصل الكروي (7.69 نيوتن-مم) مقارنة بـ Neuflex (12.11 نيوتن-مم).

• عمر الكلال:

  • أشار تحليل الكلال إلى قيمة Log-Life تبلغ 9.225 للمفصل الكروي مقابل 5.627 لـ Neuflex.
  • وهذا يترجم إلى عمر كلال يبلغ حوالي $10^{9.225}$ دورة للتصميم الجديد، وهو يتجاوز بشكل كبير $10^{5.627}$ دورة لغرسة Neuflex.

الأهمية والادعاءات
يخلص البحث إلى أن تصميم المفصل الكروي الجديد يوفر أداءً ميكانيكياً فائقاً مقارنة بغرسة Neuflex. وتحديداً، يظهر التصميم:

• تعزيز القوة بسبب انخفاض إجهادات "فون ميسيس" بشكل كبير أثناء كل من التمدد والثني.
• تقليل عزم الارتكاز، مما يشير إلى مقاومة أقل للحركة وربما ضغط أقل على العظام والأنسجة المحيطة.
• عمر كلال متوقع أطول بكثير، مما يشير إلى متانة أكبر تحت التحميل المتكرر.

يذكر المؤلفون أن هذه النتائج تشير إلى أن غرسة المفصل الكروي هي مرشح قابل للتطبيق لعمليات استبدال مفصل الإصبع مع تحسين القوة وطول العمر. ومع ذلك، يشير البحث بتواضع إلى أن هذه النتائج مبنية على المحاكاة. وقد نص صراحة على أن البحث التجريبي مطلوب للتحقق من التصميم للتطبيق السريري العملي. علاوة على ذلك، حدد المؤلفون أن البحث عن مواد مطاطية بديلة متوافقة حيوياً ذات خصائص ميكانيكية فائقة هو مجال ضروري للبحث المستقبلي لتعزيز عمر الغرسة بشكل أكبر.