 |
Ученые Пермского Политеха впервые создали реалистичную модель врастания кости в имплант, чтобы исключить разрушение протезов
Альтернатива металлическим имплантатам для суставов сегодня считаются углерод-углеродные композиты. Однако инженеры не могли точно предсказать, как они будут срастаться с костью. Ученые Пермского Политеха впервые создали модель, реалистично описывающую этот процесс.
Статья опубликована в журнале «Российский журнал биомеханики».
Современная медицина достигла значительных результатов в области замены поврежденных суставов. Подобные операции сегодня стали высокоточными процедурами, позволяющими пациентам не просто избавиться от хронической боли, а вернуться к полноценной активной жизни. По последним данным, примерно 200 тысяч человек в России ежегодно нуждаются в полной замене тазобедренного сустава. Такая потребность делает важным не только доступность самой операции, но и создание имплантатов, которые служили бы десятилетиями без риска отторжения и повторных операций.
Проблема в том, что существующие металлические протезы остаются чужеродными для организма. Большинство материалов, которые используют врачи, в 4-5 раз жёстче натуральной кости. Эта разница приводит к медленному разрушению тканей вокруг имплантата, его расшатыванию и необходимости повторной операции.
Более перспективным решением считаются углерод-углеродные композиты. Это искусственные материалы, созданные специально для медицины, которые сочетают высокую прочность с упругостью, близкой к натуральной кости. Их особенность в том, что под нагрузкой они образуют в своей структуре множество микротрещин и пор. Это способствует лучшему приживлению протеза, поскольку организм начинает заполнять появившиеся пустоты костной тканью, превращая искусственный протез в «естественную» часть скелета. В результате использование углеродных материалов предотвращает отторжение имплантата и продлевает его срок службы.
Однако до сих пор инженеры не могли точно рассчитать, как изменится прочность протеза после того, как в него прорастёт кость. Это знание критически важно, поскольку оно позволяет предсказать, как долго и насколько надёжно он будет служить пациенту после операции.
До сих пор такие протезы создавались исходя из предположения о том, что костная ткань полностью и равномерно заполняет все пустоты и трещины в композитном материале. Но ученые Пермского Политеха выяснили и доказали, что в реальности этот процесс намного сложнее. В отличие от старых подходов, которые давали усреднённый и завышенный прогноз срока службы протеза, результаты исследователей ПНИПУ максимально приближены к тому, что происходит в теле пациента. Это позволит создавать более долговечные имплантаты и точнее прогнозировать их приживаемость.
Ученые изучили новые образцы углеродного композита, а также фрагменты настоящих имплантатов, удаленных у пациентов, чтобы увидеть, как на самом деле кость воздействует на материал после долгой эксплуатации. Сравнив их, исследователи заметили, что в реальном имплантате кость никогда не врастает равномерно и не заполняет абсолютно все микротрещины.
Они установили, что для врастания кости в материал должны выполниться два ключевых требования. Первое — наличие определенной структуры микропор и трещин, которые возникают в процессе эксплуатации. Эти пустоты внутри имплантата должны находиться близко друг к другу и соединяться между собой на разной глубине. Если они будут сильно изолированы друг от друга, то клетка не сможет прорасти и прижиться.
Однако эффективность процесса зависит не только от структуры материала, но и от свойств самой костной ткани. Каждой клетке, чтобы жить, требуется постоянный контакт с организмом: приток кислорода и питательных веществ. Но чем дальше она продвигается вглубь материала, тем слабее становится «связь» с организмом. В результате способность клеток делиться и формировать новую костную ткань снижается. Это значит, что они физически не могут полностью и равномерно заполнить все внутренние поры имплантата.
Эксперты создали математическую модель углеродного материала, которая учитывает оба этих фактора. Ее особенность в том, что она не предсказывает точное расположение и объем трещин, так как это невозможно. Она учитывает уже стандартизированные данные о том, какие нагрузки действуют на сустав при ходьбе, беге или подъёме по лестнице. На основе этой информации о силе и частоте воздействий модель рассчитывает вероятность того, что под их влиянием в материале сформируется именно та связанная структура микропор и трещин, которая необходима для прорастания клеток на определённую глубину.
Исследователи использовали уже известные, усреднённые данные о нагрузках на имплантаты. Это позволило проверить саму гипотезу о возможности предсказать итоговую прочность конструкции. Однако сама модель подходит и для индивидуальных расчётов и может создать персонализированный прогноз.
В результате инженер получает график, который позволяет увидеть, как глубоко прорастет ткань. Он показывает, как это произойдет в реальности, с учётом существующих биологических ограничений. Опираясь на эти данные, инженеры могут проводить более точные расчеты итоговой прочности всей конструкции и учитывать их при проектировании протезов.
— Достоверность модели определяется тем, что ее расчеты учитывают реальные данные. При ее создании мы опирались на архивные компьютерные томограммы пациентов, перенёсших эндопротезирование. Мы использовали снимки, сделанные в первые 90 дней после операции (именно в этот период формируется новая костная ткань), где видно, как выглядит внутренняя структура материала, сколько в нём остаётся открытых и закрытых пор. Это означает, что модель учитывает показатели реального биологического процесса, а её расчеты максимально приближены к тому, что на самом деле происходит в организме пациента, — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
В отличие от существующих упрощённых подходов, которые до сих пор используются и предполагают, что кость просто заполняет все пустоты, новая модель более приближена к реальности. Она учитывает критически важные факторы процесса врастания ткани, что позволит получать гораздо более точные и надёжные прогнозы о прочности имплантата и его долговечности. Теперь инженеры могут точно рассчитать, насколько прочным станет протез после того, как в него врастёт кость, и спрогнозировать, сколько лет он прослужит пациенту.
Контактное лицо: Макарова Татьяна Андреевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 18:38, 28.03.2026
Количество просмотров: 71
Страна: Россия
| Грибная перезагрузка: ученый Пермского Политеха рассказал, что меняется в лесу в конце лета, ПНИПУ, 11:07, 18.08.2026, Россия |
496 |
| Многие люди привыкли считать, что в августе лес продолжает давать те же грибы, что и в июле, только в больших количествах, но реальность гораздо сложнее. Ученый ПНИПУ рассказал, как меняется тихая охота в августе, почему сейчас так легко ошибиться и сорвать ядовитый двойник, и как правильно готовить августовские грибы. |
|
| Учёные ПНИПУ создали умные капсулы, которые удешевляют добычу нефти втрое, ПНИПУ, 17:05, 17.08.2026, Россия |
590 |
| Для добычи трудноизвлекаемой нефти используют специальный гель, чтобы создать трещины. После операции его нужно удалить, однако существующие средства срабатывают слишком рано или не выдерживают высоких температур. Учёные ПНИПУ создали новые капсулы для добычи, которые стоят в 3 раза дешевле аналогов. |
|
|
|
