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 Новый эксперимент показал, что собаки далеко не всегда готовы помогать людям бескорыстно. Ожидание вкусной награды влияет на поведение этих животных гораздо сильнее.
В поисках внеземного разума ученые могли упустить часть возможных сигналов. Автор сразу двух исследований показала, что астрономы почти не изучали один из перспективных диапазонов радиоволн и недооценивали число звезд, которые уже попадали в поле зрения телескопов.
Исследователи из США нашли в организме человека ранее неизвестный пептид BRP и проверили его работу на животных. В экспериментах он помог снизить аппетит и процент содержания жира без побочных эффектов. По механизму действия BRP напоминает препараты для снижения веса на основе ГПП-1, к которым относится семаглутид, но, предположительно, действует иначе: не через кишечник и поджелудочную железу, а преимущественно через центральные сигнальные пути в мозге, включая области гипоталамуса, участвующие в регуляции аппетита. Авторы новой научной работы рассматривают открытие как основу для принципиально нового класса лекарств от ожирения.
Правильно подобранные звуковые последовательности способны не только стимулировать рост растений, но и влиять на их урожайность. К такому выводу пришли авторы нового исследования. Они разработали технологию, которая позволяет воздействовать на процессы развития растений через акустические сигналы без использования генной инженерии или химикатов. В экспериментах добились повышения урожайности мяты, сои, болгарского перца и конопли.
Формально почти вся программа тринадцатого полета самой большой ракеты в истории выполнена. Однако испытания показали неполную отлаженность ключевого элемента системы. SpaceX оказывается в ситуации действительно плотных сроков: до намеченного возвращения людей на Луну всего два года и два месяца.
Сегодня на земле существует примерно 7500 языков, однако ученые давно подозревали, что в прошлом их было значительно больше. Международная группа лингвистов реконструировала историю языкового разнообразия за последние 12 тысяч лет и пришла к выводу, что человечество уже пережило «золотой век» языков, после которого их число начало быстро сокращаться.
Видеосервисы стали неотъемлемой частью жизни россиян. В 2026 году охваты большинства платформ продолжают расти, в том числе YouTube.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Очереди на заправках стали привычным явлением в России, а на фоне информационного вакуума от властей о конкретных показателях производства бензина в июне население вынуждено ориентироваться на слухи. Все это выглядит довольно странно, но есть нюанс: скорее всего, кризис уже начинает выдыхаться. Как именно мы это выяснили?
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