|
|
 |
|
|
 |
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: 55
Страна: Россия
| Ученый Пермского Политеха рассказал про комету C/2025 R3⁠⁠, ПНИПУ, 22:00, 28.04.2026, Россия |
177 |
| 19 апреля комета C/2025 R3 прошла перигелий, а уже 26 числа максимально приблизится к Земле. Считается, что она прибыла из Облака Оорта – гигантского «ледяного хранилища» из окраин Солнечной системы. Ученый ПНИПУ рассказывает, в чем ее отличие от других астрономических тел, «разомкнута» ли ее орбита и что ждет ее. |
|
| Микробиом кишечника влияет на мозг и психику: ученая Пермского Политеха объяснила, как это работает, ПНИПУ, 21:46, 28.04.2026, Россия |
27 |
| 23 апреля — День заботы о микробиоте. Бактерии влияют на обмен, настроение, психику. Ученая ПНИПУ рассказала, как работает блуждающий нерв, правда ли, что серотонин и дофамин вырабатываются в кишечнике, к каким болезням нервной системы ведет воспаление в ЖКТ, когда идти к врачу и какие привычки внедрить для счастья. |
|
| Зеленые преступники: ученая Пермского Политеха назвала 8 растений, которые нельзя выращивать на участке, ПНИПУ, 21:38, 28.04.2026, Россия |
22 |
| С началом тепла дачники едут на участки, не подозревая, что среди сорняков и семян могут быть запрещённые виды: четыре инвазивных сорняка-агрессора и четыре психотропных растения, вызывающих зависимость. Учёная Пермского Политеха объясняет, почему они в чёрном списке, с чем их путают и как случайно не нарушить закон. |
|
|
|
|
|
|
|
Разделы //
Новости по странам //
Сегодня у нас публикуются //
|
|
