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.
