Luận văn thạc sĩ công nghệ chế tạo máy thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu công nghệ chế tạo máy thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Văn Hưng
• Người hướng dẫn: Trần Nguyên Duy Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ với đề tài 'Thiết Kế & Chế Tạo Khớp Gối Nhân Tạo Toàn Phần Ma Sát Trượt' được thực hiện bởi Nguyễn Văn Hưng tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM. Công trình này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển khớp gối nhân tạo toàn phần sử dụng công nghệ ma sát trượt, nhằm cải thiện chất lượng và hiệu quả trong lĩnh vực công nghệ y tế. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Nguyên Duy Phương và bảo vệ vào ngày 04/01/2016.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế và chế tạo một mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần với cơ chế ma sát trượt, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc thay thế khớp gối tại Việt Nam. Luận văn cũng hướng đến việc cải tiến quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao độ bền của sản phẩm. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là góp phần phát triển kỹ thuật y sinh và công nghệ y tế trong nước, giảm sự phụ thuộc vào các sản phẩm nhập khẩu.

II. Thiết Kế Khớp Gối

Phần thiết kế khớp gối trong luận văn tập trung vào việc xây dựng mô hình 3D của khớp gối toàn phần bằng phần mềm Mimics và SolidWorks. Quy trình thiết kế bao gồm việc xác định các thông số hình học của khớp, từ đó tạo ra các bộ phận như xương trên (xương gối), xương dưới (xương chày) và đĩa đệm. Phần mềm Mimics được sử dụng để xử lý dữ liệu CT scan, trong khi SolidWorks giúp hoàn thiện mô hình 3D.

2.1. Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế bắt đầu với việc thu thập dữ liệu từ CT scan, sau đó sử dụng Mimics để tạo mô hình 3D của xương. Các thông số hình học được xác định và chuyển sang SolidWorks để thiết kế chi tiết các bộ phận của khớp. Quy trình này đảm bảo độ chính xác cao và phù hợp với giải phẫu học của người Việt Nam.

2.2. Phần mềm sử dụng

Mimics và SolidWorks là hai phần mềm chính được sử dụng trong quá trình thiết kế. Mimics giúp xử lý dữ liệu CT scan và tạo mô hình 3D, trong khi SolidWorks hỗ trợ thiết kế chi tiết và mô phỏng các bộ phận của khớp. Sự kết hợp này mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra mô hình khớp gối chính xác và tối ưu.

III. Chế Tạo Khớp Gối Nhân Tạo

Phần chế tạo khớp gối nhân tạo tập trung vào việc gia công các bộ phận của khớp bằng phương pháp CNC và gia công truyền thống. Luận văn đưa ra các phương án gia công chi tiết, từ việc lựa chọn vật liệu đến quy trình gia công cụ thể. Các bộ phận như xương trên, xương dưới và đĩa đệm được gia công và đánh bóng để đảm bảo độ chính xác và độ bền.

3.1. Phương án gia công

Luận văn đề xuất hai phương án gia công chính: gia công truyền thống và gia công CNC. Phương án CNC được ưu tiên do độ chính xác cao và khả năng tạo ra các chi tiết phức tạp. Quy trình gia công bao gồm các bước như chọn phôi, gia công chi tiết và đánh bóng bề mặt.

3.2. Vật liệu sử dụng

Các vật liệu chính được sử dụng trong chế tạo khớp gối bao gồm hợp kim Titan, thép không gỉ và nhựa tổng hợp (Polyethylene). Những vật liệu này được lựa chọn dựa trên tính chất cơ học và khả năng tương thích sinh học, đảm bảo độ bền và an toàn khi sử dụng.

IV. Ứng Dụng Khớp Gối Nhân Tạo

Khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong các ca phẫu thuật khớp gối và tái tạo khớp gối. Sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân mà còn góp phần giảm chi phí điều trị và nâng cao hiệu quả phẫu thuật.

4.1. Phẫu thuật khớp gối

Khớp gối nhân tạo được sử dụng trong các ca phẫu thuật thay khớp toàn phần, giúp phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân bị thoái hóa khớp hoặc chấn thương nặng. Sản phẩm này đặc biệt hữu ích trong các bệnh viện có chuyên khoa chấn thương chỉnh hình.

4.2. Tái tạo khớp gối

Khớp gối nhân tạo cũng được ứng dụng trong việc tái tạo khớp gối sau các chấn thương nghiêm trọng hoặc bệnh lý liên quan đến khớp. Sản phẩm này giúp bệnh nhân phục hồi khả năng vận động và cải thiện chất lượng cuộc sống.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển

Luận văn đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt, mang lại nhiều giá trị thực tiễn trong lĩnh vực y tế và kỹ thuật y sinh. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc cải tiến thiết kế, tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng trong các bệnh viện trên toàn quốc.

5.1. Kết quả đạt được

Luận văn đã hoàn thành mục tiêu đề ra với việc tạo ra mẫu khớp gối nhân tạo có độ chính xác cao, độ bền tốt và khả năng ứng dụng thực tế. Sản phẩm này đáp ứng được các yêu cầu về giải phẫu học và cơ học, mang lại hiệu quả cao trong điều trị.

5.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc nghiên cứu sâu hơn về vật liệu khớp gối, cải tiến thiết kế để tăng độ bền và giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, mở rộng ứng dụng sản phẩm trong các bệnh viện và trung tâm y tế trên cả nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung 1. Cấu tạo khớp gối tự nhiên Xương đầu gối là khớp lớn nhất và phức tạp nhất trong cơ thể con người. Ở con người, đầu gối hỗ trợ gần như toàn bộ trọng lượng của cơ thể và cũng là bộ phận dễ bị tổn thương nhất Hình 1.1 Tổng quan về khớp gối Khớp gối bao gồm phần dưới của xương đùi (được gọi là lồi cầu) và phần trên của xương chày (được gọi là Mâm chày).

Hai đầu xương được bọc bởi lớp sụn khớp. Một lớp sụn đệm vào giữa chúng gọi là sụn chêm trong và một lớp sụn bên ngoài gọi là sụn chêm ngoài.Hai đầu xương được giữ lại với nhau bằng các dây chằng, ở hai bên là dây chằng trong và dây chằng ngoài, ở trung tâm khớp là dây chằng chéo trước và dây chằng chéo sau. Bánh chè hay còn gọi là Xương vừng là một cấu trúc xương nằm trong gân và trượt trên mặt khớp, nó nằm ở cuối của cơ gân tứ đầu và có vai trò bảo vệ gân tứ đầu cũng như tăng cánh tay đòn của gân này. Ngoài ra còn có Bao hoạt dịch nằm ở mặt trong gối có cấu tạo là các sợi xơ mềm và mỡ, nó có thể tiết dịch hoạt dịch để làm trơn và nuôi dưỡng sụn khớp, nó cũng có vai trò chống lại nhiễm khuẩn viêm.

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Dây chằng Xương đùi và xương chày được nối với nhau bằng các dây chằng. Có 4 dây chằng chính ở khớp đầu gối bao gồm: dây chằng bên ( LCL), dây chằng giữa (MCL), cũng như dây chằng sau (PCL) và dây chằng trước (ACL). Các dây chằng được biểu diễn ở hình trên.

Phần lõi được bao phủ bằng một lớp mỏng sụn. Các LCL và MCL đảm bảo sự ổn định của khớp. ACL nằm ở phía trước, trung tâm của khớp gối nhằm hạn chế chuyển động trước của xương chày so với xương đùi. Trong khi đó PCL chịu trách nhiệm hạn chế chuyển động sau.

Chuyển động của đầu gối Hình dạng hình học của các phần nối cũng như các dây chằng ảnh hưởng đến sự di chuyển của khớp gối. Khớp gối có 6 bậc tự do. Cơ bản khớp gối dịch chuyển như một khớp bản lề nhưng có thể dịch chuyển trong các mặt và quay với tổng cộng 6 bậc tự do. Chuyển động bình thường bao gồm chuyển động trượt, quay giữa xương chày và xương đùi.

Các chuyển động được hạn chế bởi các mặt xương chày, xương đùi cũng như các cơ và dây chằng.2 Khả năng dịch chuyển của xương gối Chuyển đông tương đối giữa xương chày và xương đùi Dạng hình học giữa vị trí tiếp giáp giữa xương chày và xương đùi lần đầu tiên được báo cáo là có dạng tròn và các kích thước trong năm 1836 bởi Weber and Weber ( Freeman & Pinskernova, 2005). Giả thuyết này đã được sử dụng để nghiên cứu và đưa ra nhiều HVTH: Nguyễn Văn Hưng 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương chuyền động của xương : (Elias et al., 1990), (Hollister et al., 1993), (Freeman, 2001), (Williams & Logan, 2004) và còn phổ biến đến ngày hôm nay. Freeman (2001) đề xuất rằng các vòng chuyển động của xương được chia làm 3 đoạn.

Các dạng ăn khớp khau nhau cũng như hình dạng thay đổi ở mỗi đoạn. Khả năng hoạt động của xương dao động từ 200 đến 1200. Phần này được biết đến như là bề mặt uốn (FFC). Vị trí khoảng 200 được biết đến như sự mở rộng của dây chằng (EFC).

Vị trí thứ 3 được biết đến như là phần cung bị động và kéo dài trong khoảng 1200 Hình 1.3 Ba vòng cung của đường cong chuyển động xương Tính chất cơ học của xương Xương là bất đẳng hướng (các tính chất phụ thuộc vào vị trí của xương), cấu tạo không đồng nhất (gồm nhiều bộ phận với các cấu trúc khác nhau), là một trong những cơ quan thay đổi theo thời gian, là một phần của bộ xương của động vật có xương sống. Ở mức độ vĩ mô, xương có thể chia ra thành hai phần chính: phần vỏ và phần xốp. Cấu trúc xương được thể hiện ở hình bên dưới. Như tên gọi, vỏ xương được tạo thành như lớp vỏ bên ngoài trong hầu hết các xương và nó có cấu trúc nhỏ gọn, cứng với mật độ tối đa khoảng 1.

Phần xương xốp là một vùng xốp trong xương có cấu trúc và độ đậm đặc, cứng với mật độ thay đổi từ 0. Nó chiếm các khu vực bên trong xương và các lỗ chân lông được làm đầy bằng tủy. HVTH: Nguyễn Văn Hưng 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Hình 1.4 Cấu trúc của xương Sự bất đẳng hướng của xương chủ yếu gây ra bởi sự liên kết của các Osteons đọc theo trục của xương dài như xương đùi và xương chày.

Osteons có cấu trúc hình trụ, thường dài khoảng vài mm và khoảng 0.2 mm đường kính, có mặt trong vỏ xương của động vật có vú. Bởi vì điều này nên module đàn hồi dọc lớn hơn module đàn hồi ngang khoảng 50%. Các module biến dạng cũng khác nhau theo hướng dọc, ngang (Shi,2007). Tính chất cơ học của vỏ xương được mô tả bởi Reilly và Burstein (1975) được thể hiện trong bảng dưới đây.

Tính chất cơ học của xương phụ thuộc vào nơi họ đo lường và họ cũng cho thấy sự biến đổi giữa các nghiên cứu khác nhau. Module biến dạng dao động khoảng 344Pa trong đốt sống con người đến 3230Pa ở cổ xương đùi (Morgan & Keaveny, 2001). Điều này là do tính chất cấu trúc của xương mà sẽ khác nhau ở vị trí cũng như ở từng đối tượng. Xương cũng có những đặc điểm riêng trong việc tái cấu trúc.

Tái cấu trúc xương là một quá trình liên tục của sự hấp thụ, nén của xương để đáp ứng với sự thay đổi tải. Wolff (1986) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa môi trường và cấu trúc xương. Giả thuyết rằng xương phát triển bất cứ nơi nào cần thiết và tái hấp thụ ở những nơi không cần thiết. Trong thay khớp nhân tạo như thay khớp gối, các chấn thương chỉnh hình là trực tiếp tiếp xúc với xương là làm thay đổi ứng suất trong xương.

Trong việc thay thế xương, phản HVTH: Nguyễn Văn Hưng 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương ứng của xương có thể kéo dài trong nhiều năm và có thể thất bại hay thậm chí mất xương vĩnh viễn cho việc sửa đồi. Xương xung quanh vị trí cấy ghép điều chỉnh mật độ khoáng xương ( BMD) và cấu trúc để đáp ứng yêu cầu cơ tính mới. Hazelwool (2001) đã phát triển một mô hình cho việc tu sửa cấu trúc xương và mô phỏng thay đổi thuộc tính vật liệu.

Hiệu quả của việc tu sửa xương cho thấy sự phân bố không đồng đều có thể ảnh hưởng đến mật độ và cấu trúc xương. Điều này sẽ đẫn đến ít hoặc không có xương ở vị trí thay thế. Tại xương chày, nó là cần thiết để đảm bảo duy trì hầu hết áp lực từ phần xương chày.1 Tính chất cơ học của xương (Reilly & Burstein,1975) 1. Các chấn thương dẫn đến điều trị thay khớp gối nhân tạo Xương đầu gối là một trong những khu vực quan trọng trong cấu tạo cơ thể, là nơi chịu lực cao và lớn nhất trong cơ thể.

Do tính chịu lực cao nên đầu gối dễ bị tổn thương nhất trong cơ thể. Quá trình mắc bệnh liên quan đến khớp gối thường được phân loại thành: bẩm sinh, do quá trình trao đổi chất, thần kinh – cơ, do truyền nhiễm, do miễn dịch và sau khi bị chấn thương. Tật bẩm sinh Do phát triển phôi thai không đầy đủ hoặc bị biến dạng của đầu gối có thể do bẩm sinh bất thường như giảm sinh xương bánh chè hoặc sụn chêm hình đĩa, có thể dẫn đến suy giảm chức năng đầu gối, bệnh thoái hóa khớp hoặc mất cân bằng cơ chế co duỗi. Điều trị ngoại khoa về sự sắp xếp sai, không ổn định hoặc mất cân bằng cơ chế co duỗi có thể cần thiết để cho phép phục hồi chức năng.

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Hình 1.5 Khớp gối bị di tật bẩm sinh Chuyển hoá (Cơ chế trao đổi chất) Do rối loạn xương liên quan đến quá trình chuyển hóa canxi thứ phát nội tiết tố, di truyền hoặc mất cân bằng dinh dưỡng có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của xương và dây chằng đầu gối, dẫn đến phá hủy khớp. Như vậy rối loạn cần phải được chẩn đoán chính xác và điều trị thích hợp. Ngoài ra có thể xem xét nội soi khớp để khắc phục các vấn đề về chuyển hoá kịp thời.

Thần kinh cơ Bệnh ảnh hưởng đến các dây thần kinh và cơ bắp của đầu gối có thể gây ra dáng đi bất thường và các vấn đề bất ổn khác. Bệnh thoát vị đĩa đệm thắt lưng có thể dẫn đến vô hiệu hóa tác dụng trên cơ tứ đầu và chức ảnh hưởng đến chức năng gân kheo nếu rễ thần kinh L3, L4 và L5 bị ảnh hưởng. Truyền nhiễm Nhiễm trùng huyết từ bất kỳ vi khuẩn gram âm dương hoặc gram có thể dẫn đến phá hủy các khớp gối, được gọi là viêm khớp nhiễm khuẩn. Khi các phương pháp khác không thể cải thiện được bệnh thì việc cắt bỏ khớp là lựa chọn cuối cùng trong trường hợp nhiễm trùng khớp gối xảy ra dai dẳng.

Tự miễn HVTH: Nguyễn Văn Hưng 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Viêm khớp gối có thể là nguyên nhân của sự rối loạn tự miễn dịch như thấp khớp hoặc viêm khớp vẩy nến, khi mà cơ thể mất khả năng phân biệt các kháng nguyên bên ngoài và tự kháng nguyên. Thực chất, những cấu trúc sụn bình thường của cơ thể bị nhầm lẫn là các kháng nguyên bên ngoài và bị cơ chế miễn dịch tấn công. Từ đó gây nên các bệnh liên quan đến khớp.6 Khớp gối tự miễn Sau chấn thương Gãy xương, trật khớp hoặc chấn thương dây chằng nghiêm trọng có thể làm tổn hại chức năng khớp gối và nhiều trường hợp có thể gây ra sự phá hủy sụn nghiêm trọng, tương tự như viêm xương khớp.

Thay khớp gối giúp cải thiện biến dạng, chấm dứt đau đớn và phục hồi chức năng của khớp gối.7 Chấn thương khớp gối HVTH: Nguyễn Văn Hưng 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Từ những nguyên nhân kể trên, sau việc áp dụng các phương pháp điều trị khác nếu không thấy hiệu quả, thì phương án cuối cùng sẽ là phẫu thuật thay khớp gối. Tuỳ vào bệnh lý cũng như chỉ định của bác sỹ, bệnh nhân sẽ được chỉ định thay khớp gối toàn phần hay bán phần.