Коллектив ученых ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо предложил новый метод проектирования тазобедренных эндопротезов для создания прочных конструкций под конкретного пациента. Специалисты улучшили свойства имплантата, изменяя его внутреннюю структуру, сообщает сайт Пермского политехнического университета.
Замена тазобедренного сустава имплантатом часто используется при травмах или заболеваниях, которые мешают пациенту двигаться без боли. Это вмешательство позволяет человеку вернуться к полноценной жизни. Для изготовления биомедицинских высококачественных имплантатов, адаптированных под каждого пациента, часто используется 3D-печать. Такие протезы являются легкими, но прочными, благодаря пористой структуре, повышающей долговечность и интеграцию с тканями тела, в то время, как обычный протез под воздействием внешних нагрузок деформируется, что влияет на его долговечность.
Ученые из исследовательской группы считают, что большинство модификаций протезов имеют только поверхностный контакт между тканями организма и внешним слоем имплантата, но его можно усилить. При многократном увеличении видно, что структура материала имплантата ячеистая, именно эта пористость влияет на прочность и лучшее соединение конструкции с живыми тканями. Ученые предложили менять форму и расположение ячеек для улучшения интеграции кости и протеза.
Исследователи создали модель, которая проектирует пористый протез тазобедренного сустава со свойствами, учитывающими особенности конкретного человека. Эта модель определяет места наибольших нагрузок на протез. Его конструкция описывается элементарными ячейками, которые непосредственно взаимодействуют с тканями организма. Если значение напряжений низкое, то ячейка является малонагруженной и удаляется из внутренней структуры протеза. Проектирование идет до тех пор, пока структура протеза не будет изменяться.
На производстве с помощью такого вычислительного метода, считают специалисты, можно автоматизировано проектировать высокотехнологичные эндопротезы под индивидуальные особенности пациента. «Для проектирования имплантата необходимы вид и геометрия протеза, рост и вес пациента, набор данных о цикле походки», — пояснил Алексей Кучумов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ. Он уточнил, что предложенный метод можно использовать при создании протезов и других частей тела.
Эксперименты, проведенные научным коллективом, показали, что оптимизированные эндопротезы имеют меньший объем без потери несущей способности. Это позволяет создавать изделия с лучшей биосовместимостью и устойчивостью, требуя меньших затрат времени, материалов и энергии.
Осенью прошлого года в ПНИПУ рассказали о разработке нового метода изготовления индивидуального протеза с углеродными волокнами при помощи 3D-печати с улучшенными свойствами. Также ученые ПНИПУ решили задачу 100% обеззараживания углеродного материала, применяемого для создания имплантатов, с помощью радиации без потери прочности.
