Пермские ученые сделали прочнее 3D-печать протезов конечностей
Основные проблемы 3D-печатных экзопротезов, в частности для транстибиальных ампутаций (ниже колена), заключаются в неравномерной нагрузке на конструкцию, приводящей к ее разрушению. Ученые Пермского Политеха разработали способ создания прочных и легких экзопротезов с помощью 3D-печати и укрепления углеродным волокном. Новый метод позволяет значительно повысить долговечность и надежность изделий, обеспечивая их комфорт и индивидуальную адаптацию под анатомию пациента.
Результаты опубликованы в журнале Polymers. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Экзопротез — это устройство, замещающее утраченную конечность и частично восстанавливающее ее функции. В отличие от имплантатов, которые вживляются внутрь организма, оно используется наружно и крепится к культе (остатку части тела после удаления).
Экзопротез при транстибиальной ампутации (на уровне ниже колена) состоит из трех основных компонентов: гильзы, опоры и стопы. Гильза представляет собой чашеобразную конструкцию, которая надевается на конечность и передает механическую нагрузку от тела на протез. Ее можно спроектировать и напечатать на 3D-принтере на основе данных комплексного сканирования конечности человека. Это единственная деталь, подстраивающаяся под форму культи, остальные – опора и стопа, могут быть выполнены на основе стандартных изделий.
Однако остается проблема повышения прочности гильзы, так как на нее воздействует нагрузка всего тела человека, что приводит к образованию и распространению трещин на ее поверхности. Улучшить механические характеристики возможно за счет добавления в структуру упрочняющих элементов, таких как стекловолокно, углеродные, кварцевые, силикатные волокна и другие. При этом усиление конструкции целиком нецелесообразно из-за значительных затрат на материал.
Ученые Пермского Политеха предложили новый способ повысить надежность экзопротезов отдельными прутками, состоящими из углеродных волокон и полимера и внедренными в критически нагруженные участки протеза. Углеродное волокно, известное своей высокой прочностью и легкостью, позволяет распределить нагрузку, предотвращая образование трещин и повышая устойчивость конструкции.
В качестве материала гильзы политехники использовали полиамид PA12 (нейлон) – полимер с высокими прочностными и жесткостными характеристиками, который широко применяют в 3D-печати в области биомедицины. В качестве армирующего материала использовали углеродные прутки из 3000 непрерывных волокон и полимера.
Компьютерное моделирование дает возможность заранее изучить свойства материала и детально отследить его изменения и деформации. Так, воспроизводя процесс нагружения образцов, политехники смогли выявить зоны, склонные к появлению трещин под неравномерной нагрузкой. Далее, по 3D-модели гильзы определили, какое расстояние между углеродными прутками наиболее оптимально и обеспечивает необходимую прочность детали.
– Укрепляющие элементы принимают на себя основную нагрузку, делая протез гораздо прочнее. Но если расположить их слишком далеко друг от друга, они перестанут работать так эффективно. При этом важно минимизировать количество прутков, чтобы сэкономить материалы и не утяжелить конструкцию. Мы подобрали расстояние, которое обеспечивает наилучший баланс прочности и веса гильзы, – объясняет Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
На основе полученных результатов ученые изготовили прототип гильзы с локальным усилением. Для этого с помощью роботизированной установки сначала создали половину предполагаемой толщины стенки протеза. Далее проводили укрепление прототипа отдельными углеродными прутками по специально разработанной траектории. После закрывали их дополнительными слоями полимера, а деталь дорабатывали до восстановления требуемой толщины стенки гильзы.
Такой подход позволяет качественно интегрировать углеродные прутки в процессе печати, обеспечивая их прочное сцепление с полимерным основанием, а также сократить время изготовления персонализированных протезов.
– Локальное укрепление эффективно усилило высоконагруженные зоны протеза. Приложение нагрузки, равной весу тела пациента весом 100 килограммов, показало, что наличие прутков снизило напряжение в конструкции на 16,2%. При этом ее вес увеличился лишь на один грамм, – поделился Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Технология создания легких и прочных протезов ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для персонализированной ортопедии. Предложенная методология сочетает преимущества аддитивного производства и композитных материалов, что повышает долговечность и надежность изделий, а также учитывает индивидуальные потребности пациентов.
Telegram 
Дзен 
VK Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Современная космология до недавнего времени опиралась на так называемый космологический принцип, по которому у Вселенной нет какого-то выделенного направления. И наблюдатель в любой ее точке должен видеть однородную в этом смысле картину. Астроном из Северокавказской астрофизической обсерватории показал, что это не так даже для очень древней Вселенной.
Расположенный на Гавайях щитовой вулкан Килауэа считается одним из наиболее активных действующих вулканов. Гавайская вулканическая обсерватория Геологической службы США ожидает, что 55-й эпизод фонтанирования лавы может произойти уже сегодня.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Особо чистый германий — полупроводниковый материал с минимальным содержанием примесей, который активно используют в ядерной физике, медицине и оборонной промышленности. Российские ученые предложили новую технологию, позволяющую получить монокристаллы германия особой чистоты.
Артем Оганов стал иностранным членом Национальной академии наук Республики Армении. В прошлом этой чести также удостоился физик Юрий Оганесян.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно