 |
Ученые Пермского Политеха приблизились к замене металлических протезов на углепластиковые
Углепластик — перспективный материал для тазобедренных протезов, но его использование ограничено: для одной из деталей имплантата нагрузки до сих пор не изучены. Ученые Пермского Политеха впервые создали модель чаши из углепластика и определили, при каких нагрузках в ней начинаются повреждения.
Статья опубликована в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Эндопротезирование — одна из самых востребованных операций в мире. Малоподвижный образ жизни, избыточный вес и старение населения сегодня приводят к тому, что износ суставов стал одной из главных медико-социальных проблем, поскольку ведет к инвалидизации людей трудоспособного возраста, снижению качества жизни и огромным экономическим затратам на лечение и реабилитацию.
Особенно часто протезирование связано с заменой тазобедренного сустава. По последним данным, ежегодно в мире выполняется около 1 миллиона таких операций. Рынок эндопротезирования тазобедренного сустава сегодня оценивается в 8,7 млрд долларов и продолжает расти.
Традиционно такие протезы делают из металла, однако их жесткость не совпадает с жесткостью кости. Со временем у пациента это может привести к воспалению и разрушению тканей вокруг имплантата, расшатыванию конструкции и вызвать необходимость повторных операций.
Одним из наиболее перспективных материалов для замены металла является углерод-углеродный композит. Он обладает высокой износостойкостью и абсолютной биосовместимостью с костной тканью.
Чтобы применять этот материал в реальных протезах, важно понимать, из каких частей он состоит и как каждая из них работает. Первая — это ножка (бедренный компонент), которая вставляется внутрь кости и заменяет собой часть бедра вместе с суставом. Вторая часть — чаша: округлая деталь, которая крепится к тазовой кости и соединяет ее с бедренной частью протеза в единую конструкцию. Она обеспечивает подвижность сустава и принимает на себя основную нагрузку при ходьбе, беге и других движениях.
Если для ножки применение композита уже изучено, то для чаши в научной литературе до сих пор нет исследований. Это связано с тем, что внутренняя структура углерод-углеродного композита сложная и неоднородная. Как и в любом другом материале, в нем со временем могут появляться микротрещины и другие повреждения, которые приводят к расшатыванию или разрушению протеза.
Однако если металлы и сплавы устроены достаточно просто, что позволяет с высокой точностью предсказывать поведение детали, то композит имеет другое строение, и предсказать скорость его разрушения обычными инженерными методами невозможно.
Ранее ученые Пермского Политеха разработали первую в мире компьютерную модель, которая учитывает хаотичную структуру композита и позволяет прогнозировать повреждения для ножки протеза.
Тем не менее, для надежной работы протеза все его части должны быть выполнены из одного материала. Теперь пермские исследователи впервые изучили углерод-углеродный композит в конструкции чаши эндопротеза. Результаты исследования позволят инженерам заранее рассчитывать, при каких нагрузках и в каких зонах начнутся первые повреждения, а значит — проектировать полноценные имплантаты с предсказуемым сроком службы.
Сначала исследователи построили компьютерную модель компонента. Из предыдущих исследований уже было известно, что внутреннее устройство таких композитов неоднородно, и отдельные их участки обладают различными свойствами. Соответственно, при разном давлении разрушаться они будут по-разному.
— Нужно было понять, как поведут себя обе части материала при нагрузках, которые возникают в реальном суставе при ходьбе, беге или подъеме по лестнице. Для этого в модели мы задали нагрузку и постепенно повышали ее от 0 до 400 килограммов, фиксируя, что происходит внутри чаши. Такой диапазон выбран потому, что он охватывает и обычные бытовые нагрузки, и экстремальные, которые могут возникать у физически активных людей, — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Анализ показал, что первые микротрещины возникают при нагрузке примерно 220 килограммов. Однако из-за сложной структуры разрушение не возникает строго при одной и той же нагрузке каждый раз. Чтобы получить более точную картину, исследователи перебрали тысячи возможных вариантов структуры материала и получили не одну цифру, а вероятности разрушения компонента при разном давлении.
— Например, при нагрузке 300 кг вероятность того, что в каком-то из участков возникнет повреждение, составила почти 10%, а при 400 кг — уже 38%. При этом самые опасные виды разрушений появляются только при давлении выше 650 кг — такое бывает в основном у спортсменов. Для среднестатистического человека нагрузки на сустав редко превышают 220 кг. Это значит, что чаша из углерод-углеродного композита в повседневной жизни не получает повреждений, — отметил Егор Разумовский.
Исследование пермских ученых дает инженерам и конструкторам точные и проверенные данные: при какой нагрузке, в каком месте чаши и с какой вероятностью появляются первые дефекты.
В результате разработка цельного имплантата из композита переходит из разряда теоретических гипотез в область реального инженерного проектирования с полностью предсказуемыми характеристиками прочности, долговечности и повреждения. Для пациентов это означает потенциальную возможность получить протез, который не расшатывается годами и не требует повторных операций.
Контактное лицо: Макарова Татьяна Андреевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 22:25, 30.05.2026
Количество просмотров: 67
Страна: Россия
| Улучшает иммунитет, пищеварение и защищает от инсульта: ученый Пермского Политеха назвал 7 причин разрешать себе лениться, ПНИПУ, 22:13, 14.07.2026, Россия |
180 |
| 15 июля отмечается День русской лени. Ученый ПНИПУ рассказал, как она помогает очищать мозг от токсинов, восстанавливать оболочку нервов, повышать иммунитет, улучшать пищеварение, предотвращает образование тромбов, увеличивает фазу медленного сна и поднимает мотивацию, а также чем здоровая лень отличается от вредной. |
|
| Ученый Пермского Политеха объяснил, почему мы испытываем симптомы акклиматизации, даже не покидая родной город, ПНИПУ, 21:26, 14.07.2026, Россия |
30 |
| Резкие перепады температуры могут вызывать у человека симптомы, сходные с теми, что возникают при смене климатической зоны. Ученый ПНИПУ рассказал, что происходит с организмом при температурных контрастах, какие привычные средства самопомощи только вредят и почему самочувствие может ухудшиться уже после нормализации. |
|
| Ученый Пермского Политеха рассказал о скрытой угрозе популярных отбеливающих полосок для зубов, ПНИПУ, 16:59, 12.07.2026, Россия |
25 |
| В сети набирает популярность тренд – молодежь массово клеит осветляющие полоски, чтобы получить белоснежную улыбку. Ученый Пермского Политеха объясняет, почему активные компоненты этих средств действуют как «кислотный дождь» для зубов, как малейшее отклонение от инструкции провоцирует воспаление десен, и почему развившаяся гиперчувствительность – это лишь вершина айсберга серьезных стоматологических проблем. |
|
|
|
