Design and Analysis of a Novel Artificial Cervical Disc

Abstract

Artificial cervical disc plays a major role in implant surgeries, where it may work as much as the anatomical cervical disc after the replacement surgery. Therefore, designing and analyzing an artificial cervical disc became the main focus of this study. The Finite Element (FE) method was used to develop the design of artificial cervical disc between the cervical vertebra C4-C5 and to provide accurate analysis by using ABAQUS® software to determine the artificial disc response under static and dynamic loadings. The artificial cervical disc material was chosen from advanced biomaterials such as Cobalt Chrome Molybdenum (CoCrMo) and Ultra High Molecule Weight of Polyethylene (UHMWPE). Stress-strain relation, force displacement and compression were investigated under axial quasi static loading. Furthermore, in order to examine the model Range of Motion (ROM) in (axial rotation, lateral bending, and flexion/extension) moment was applied in three different directions. Moreover, another key analysis was normal mode of vibration, where, steady state dynamic and tabular amplitude was applied to investigate the effect of car accident on the artificial disc. In view of results, the maximum stress deformation was at the outer upper layer of CoCrMo, the yield strength was recorded as 170 MPa, the plastic deformation started at strain of 0.0005. As well as the failure occurs at 0.004. Coupled with displacement force distribution, the maximum deformation was in Z-direction. The moment load results showed the ROM of 5.36° and 5.89° in Flexion/extension, 7𝑜����lateral bending, and 6.7 º axial rotations under 1000 Nmm. To enhance this work, results was validated by comparing with experimental and FE based data. Dynamic analysis showed that lower frequency may have more dangerous effect than higher frequency on ligaments. Nonetheless, maximum stress with 1.975e3 MPa at the upper layer of CoCrMo provided that tabular amplitude is applied. This work presented that the newly designed artificial disc is validation based on the comparison with previously published work.

ÖZ: Yapay servikal disk protezinin, ameliyattan sonra anatomik servikal diske yakın hareket etmesi beklenmektedir. Bu nedenle, yapay bir servikal disk tasarlamak ve analiz etmek bu çalışmanın ana odağı olmuştur. Bu çalışmada, Sonlu Elemanlar (FE) yöntemi kullanılmış ve servikal vertebra C4-C5 arasındaki tasarlanan yapay servikal diskin statik ve dinamik yükler altındaki tepkisini belirlemek için ABAQUS® yazılımını kullanılmıştır. Yapay servikal disk malzemesi, Kobalt Krom Molibden (CoCrMo) ve Ultra Yüksek Molekül Polietilen Ağırlığı olan (UHMWPE) ileri biyomalzemelerden seçilmiştir. Eksenel yarı statik yükleme altında gerilme gerinme ilişkisi, kuvvet yer değiştirmesi ve sıkıştırma incelenmiştir. Ayrıca, Hareket Aralığı modelini (ROM) incelemek için (eksenel dönüş, yanal bükülme ve bükülme / uzama) üç farklı yönde moment uygulanmıştır. Bu çalışmadaki bir diğer önemli analiz, normal titreşim moduydu. Burada araba kazasının yapay disk üzerindeki etkisini araştırmak için sabit durumlu dinamik ve tabular genlik uygulandı. Sonuçlar göz önüne alındığında, maksimum stres deformasyonu CoCrMo'un dış üst katmanındaydı, ve akma dayanımı 170 MPa olarak kaydedildi. Maksimum deformasyon z yönünde olmuştur. Moment sonuçları, Flexion /ekstansiyonda 5.36 ° ve 5.89 °, 1000 Nmm altında 7º tek bükülme, ve 6.7 º eksenel dönüş göstermiştir. Bu çalışmadan çıkan sonuçlar, deneysel ve Sonlu elemanlar bazlı verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Dinamik analiz, düşük frekansın anatomik bağlar üzerindeki yüksek frekanstan daha tehlikeli etkiye sahip olabileceğini göstermiştir. Bununla birlikte, CoCrMo'un üst katmanında 1.975e3 MPa ile maksimum stres bulunmuştur. Bu çalışma yeni tasarlanan yapay disk`in daha önce yayınlanmış çalışmalarla karşılaştırıldığında, diger çalışmalardaki yapay disklerle benzer sonuçlar verdigi doğrulanmıştır.