Эндопротезирование тазобедренного сустава — эффективный способ лечения опорно-двигательного аппарата, когда консервативная терапия перестает давать положительные результаты и не может выполнять часть основных функций. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава заключается в замене подвижного соединения бедренной и тазовой кости аналогом из углерод-углеродного композиционного материала, который является биоинертным. Так как тазобедренный сустав является одним из самых нагруженных подвижных соединений в теле человека, то к требованиям биологической совместимости добавляется и обеспечение прочности. Это делается для того, чтобы у пациента не было необходимости менять протез в течении жизни. Ученые Пермского Политеха провели испытания ранее разработанного тазобедренного сустава из углерод-углеродного композиционного материала на разрывной машине, а с помощью моделирования наметили пути повышения его прочностных характеристик.
Эксперимент по нагружению эндопротеза / ©Пресс-служба Пермского Политеха
Исследование опубликовано в высокорейтинговом журнале PNRPU Mechanics Bulletin. Обычно, имплантаты изготавливаются из металлических материалов, однако они имеют более высокие упругие и прочностные характеристики, что приводит к расшатыванию протеза в силу большой разницы свойств костной ткани и имплантаты. Композиционный материал имеет близкие упругие характеристики к костной ткани, что исключает возможное расшатывание. Чтобы исследовать его прочностные характеристики политехники провели эксперимент.
В разрывную машину вертикально поместили образец протеза, после чего его дважды сжимали до момента поломки. Визуальный осмотр места разрушения выявил, что они произошли из-за межволоконного сдвига, сами волокна, которые состоят из углерод-углеродного композита продолжали сохранять несущую способность.
«Наиболее слабым местом у эндопротеза оказался переход от шейки к посадочному конусу. Для увеличения запаса прочности при межслойном сдвиге необходимо увеличить радиус перехода от шейки эндопротеза к посадочному конусу. Для этого была построена реалистичная матмодель бедренной кости», — поделился аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Егор Разумовский.
Реальная форма тазобедренной кости весьма сложна для моделирования, поэтому модель была получена при помощи компьютерной томографии. Модель полностью отражает ее анатомическую форму.
«Моделирование показало, что эндопротез имеет почти трехкратный запас прочности при однократном нагружении. В дальнейшем будут исследованы возможные повреждения при перегрузках, их влияние на работоспособность эндопротеза, способы блокировки роста повреждений», — сообщил доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций Вячеслав Шавшуков.
По словам ученых, распределения напряжений в массиве костной ткани свидетельствуют об удачной конструкции эндопротеза. Изобретение признано приоритетным для реализации проекта в городе Нытва, где будет организовано производство изделий из композиционных материалов в медицинских целях. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований.
