 |
Ученые Пермского Политеха разработали уникальную модель для предсказания «старения» углеродных имплантатов тазобедренного сустава
Количество операций по эндопротезированию растёт. Но существующие методы расчёта не позволяют предсказать, как микротрещины в протезах влияют на их прочность. Учёные Пермского Политеха создали первую в мире компьютерную модель, которая предсказывает, как микротрещины в протезе влияют на его прочность и долговечность.
Статья опубликована в научном журнале «Известия Юго-Западного государственного университета».
Во всём мире миллионы людей живут с искусственными суставами — высокотехнологичными устройствами, которые заменяют повреждённые места, возвращая человеку способность двигаться без боли. Золотым стандартом в лечении травм сустава является его полная замена на эндопротез — сложную конструкцию, имитирующую естественную анатомию и функции. По данным на 2024 год, объём мирового рынка таких операций оценивался в 7,9 млрд долларов. Ожидается, что к 2034 году этот показатель достигнет 11,4 млрд.
Традиционные металлические имплантаты, хотя и применяются почти повсеместно, имеют фундаментальный недостаток: их жёсткость значительно превышает жёсткость натуральной кости. Это приводит к «экранированию напряжений» – кость, не получая привычной нагрузки, начинает рассасываться, а протез расшатывается. Кроме того, ионы металлов могут накапливаться в тканях, вызывая аллергии и воспаления. Все это сокращает срок службы имплантата до 10-15 лет, обрекая пациентов, особенно молодых, на повторные операции.
Альтернативой в медицине сейчас выступают угле-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Их главное преимущество в том, что благодаря идеальному совпадению жесткости с костью, они не приводят к ее ослаблению и рассасыванию под нагрузкой. Этот материал не вызывает аллергии и коррозии, а также рентгенопрозрачен, что не мешает проведению МРТ и КТ-диагностики после операции.
Однако такие протезы имеют сложную, неоднородную структуру и состоят из хаотично расположенных микроскопических кристаллов искусственного углерода. При нагрузке, даже незначительной (например, при случайном спотыкании), эти частицы могут повреждаться, что меняет свойства материала в целом.
Существующие методы расчета прочности имплантатов часто строятся на допущении, что у них однородная и идеальная структура. Такой подход дает лишь примерную оценку того, как конструкция будет вести себя под нагрузкой. Однако для сложных материалов, как угле-углеродные композиты, это допущение становится критической ошибкой. Их прочность в долгосрочной перспективе зависит именно от микроскопических процессов внутри материала: от того, как зарождаются и развиваются мельчайшие дефекты между отдельными кристаллами.
Ученые Пермского Политеха создали вычислительную модель, которая позволяет точно оценить, сколько нагрузки сможет выдержать и как долго прослужит искусственный сустав из углеродного композита.
В основе разработки лежит двухуровневый подход, который анализирует имплантат одновременно на уровне микроструктуры материала и на уровне целой конструкции. Это позволяет увидеть, как невидимые повреждения влияют на прочность всей детали.
Для первого, микроскопического уровня, ученые разработали программный алгоритм, который рассчитывает, как деформируется каждый кристаллик в составе углеродного композита. На практике он делает несколько ключевых вещей. Во-первых, считает риски для каждой частицы материала, проверяя четыре «критерия» — условия, при которых они могут сломаться, например, от слишком сильного растяжения или сдвига. Во-вторых, он оценивает масштаб повреждений: определяет, какая доля кристалликов уже разрушена, какая — частично повреждена, а какая ещё цела.
Второй уровень моделирует всю бедренную часть эндопротеза как готовую деталь в окружении кости. Этот компонент выбран потому, что на него приходится основная механическая нагрузка при ходьбе, беге и любом движении тела. Он также подвержен самым сложным типам деформации, поэтому прогноз поведения именно бедренной части нужен для общей надежности протеза.
Для реализации макроскопического уровня ученые создали детальную 3D-модель в инженерном программном комплексе. В качестве основы они взяли анатомически корректную геометрию бедренной кости и эндопротеза. В эту модель эксперты добавили нагрузку (как при ходьбе), а программа рассчитала, как деформируется вся система и где возникают самые опасные напряжения.
— Вся работа происходит в виде циклического процесса, который имитирует постепенное накопление повреждений в имплантате. На каждом шаге программа рассчитывает, как деформировалась вся система, и эти данные передаются в микро-модель. Далее она анализирует, привели ли такие нагрузки к повреждению кристаллов внутри материала или нет. Если деформации обнаруживаются, программа «ухудшает» свойства композита именно в соответствующей зоне обнаружения дефектов. После этого новый расчет выполняется уже для слегка «подпорченного» имплантата. Такой цикл повторяется много раз, пока напряжение в модели не достигнет предела прочности, — прокомментировал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Практическим результатом работы является детальная картина постепенного разрушения имплантата. Моделирование выявило четыре области в бедренном компоненте, где произошло критическое накопление повреждений. Это означает, что протез теряет прочность не равномерно и не мгновенно, а через последовательное ослабление нескольких зон.
Чтобы показать этот процесс, программа построила специальный «ступенчатый» график. Он отразил процесс потери жесткости протеза: когда в одной из зон накопилось много микроповреждений, показатель резко упал. Таким образом модель указывает на псевдопластическое поведение углеродного композита. Это значит, что он не ломается резко, а терпит внутренние повреждения, перераспределяет нагрузку и продолжает функционировать, постепенно теряя жёсткость. Теперь инженеры смогут увидеть, в каких именно зонах и в какой последовательности накапливается усталость материала. Это позволит перейти к целенаправленному укреплению слабых мест и прогнозированию срока службы для разных пациентов.
Важно отметить, что проведенное исследование является уникальным в своей области. В мировой научной литературе отсутствуют прямые аналоги разработки, где так же глубоко и системно изучается накопление повреждений в эндопротезах с помощью моделирования. Поэтому основным способом проверки стало сопоставление прогнозов модели с реальными экспериментальными данными, полученными в рамках предыдущих исследований. Самым главным показателем эффективности стало совпадение картины разрушения. Модель предсказала участки, где несущая способность падает, и они точно совпали с реальными местами повреждений в испытанных изделиях. Это подтверждает, что предложенная модель, пусть и является упрощенной, верно отражает ключевые закономерности разрушения.
Главным преимуществом модели является также ее вычислительная мощность. Обычное моделирование микроструктуры настолько сложно для компьютера, что позволяет анализировать лишь несколько сотен или тысяч частиц. Разработанная программа работает с выборкой в миллионы элементов, что делает статистику микроразрушений более полной и достоверной.
— Итоговый характер деформирования, предсказанный расчетами — а именно последовательное накопление повреждений, — совпадает с поведением образцов углерод-углеродного композита при проводимых ранее испытаниях. Это показывает, что разработка корректно описывает физику процесса разрушения на всех масштабах — от микроскопических трещин до макроскопической потери жёсткости всей конструкции. В дальнейшем такой инструмент инженеры и медики смогут использовать для виртуального тестирования новых конструкций имплантатов, прогнозируя их срок службы и выявляя слабые места ещё на этапе проектирования, — отметил Вячеслав Шавшуков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Созданную модель можно использовать не только для оптимизации создания протезов, что значительно сократит время и стоимость разработки, а также для углубленной оценки безопасности и сертификации, основанной на понимании долговременного поведения композитов. Такой двухуровневый подход может послужить методической основой для анализа разрушения других перспективных материалов в экстремальных условиях, что в конечном итоге повышает безопасность пациентов и стандарты медицинских технологий.
Контактное лицо: Макарова Татьяна Андреевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 17:24, 17.12.2025
Количество просмотров: 94
Страна: Россия
| Ученые ПНИПУ нашли новый способ очищать воду от стронция, ПНИПУ, 21:28, 13.10.2026, Россия |
58 |
| Сегодня нередко в стоки и водоёмы попадают ионы стронция, способные вызывать у человека тяжелые заболевания. Но удалять их одновременно дёшево и быстро пока не получается. Ученые ПНИПУ создали новый материал для удаления стронция из воды. Их сорбент связывает больше ионов и работает в 3 раза быстрее аналогов. |
|
| «Поток-сирота»: ученый Пермского Политеха рассказал о звездопаде Дельта-Ауригиды, ПНИПУ, 21:26, 13.10.2026, Россия |
36 |
| В ночь с 10 на 11 октября можно будет увидеть Дельта-Ауригиды — один из самых интригующих, но малоизвестных звездопадов осени. Его радиант располагается в созвездии Возничего, а пик активности приходится на 11 октября. О том, почему Дельта-Ауригиды называют «потоком-сиротой» и как его не пропустить, рассказывает ученый Пермского Политеха. |
|
| Ученые Пермского Политеха рассказали, на что смотреть при покупке незамерзайки для машины, ПНИПУ, 21:15, 13.10.2026, Россия |
39 |
| С наступлением холодов перед каждым водителем встает вопрос: какую стеклоомывающую жидкость залить в бак, чтобы она не замерзла, справлялась с грязью и не навредила ни машине, ни людям в салоне. О том, из чего состоит незамерзайка и на что ориентироваться при ее выборе, рассказали ученые Пермского Политеха. |
|
|
|
