Разработка ПНИПУ поможет проектировать эндопротезы под конкретного человека
В современной медицине практически любой сустав в организме человека можно заменить искусственным. Эндопротез, например, коленного или тазобедренного сустава полностью повторяет форму природного элемента и выполняет все его функции. Уже несколько лет в Пермском Политехе проводятся комплексные исследования для создания качественных отечественных протезов мирового уровня. Разрабатываются новые материалы и технологии для проверки их характеристик. Но повысить свойства имплантата можно также меняя его внутреннюю структуру, чтобы восстановление человека проходило быстрее, а сам протез служил как можно дольше. Совместная коллаборация ученых из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо позволила разработать совершенно новый метод проектирования тазобедренных эндопротезов для их производства. Исследование позволяет создавать качественные, долговечные и легкие конструкции под запросы конкретного пациента.
Статья с результатами опубликована в международном журнале Numerical Methods in Biomedical Engineering. Замена тазобедренного сустава на протез – это часто проводимая операция. К ней прибегают при серьезных повреждениях бедра, вызванных травмой или заболеваниями. Например, при остеоартрите и ревматоидном артрите происходит разрушение бедренной кости, из-за чего пациент испытывает сильную боль и теряет подвижность. В таком случае требуется замена сустава на имплантат, который в точности повторяет его анатомическую форму и восстанавливает полноценную жизнь человека.
3D-печать активно применяется как эффективный способ изготовления биомедицинских изделий со сложной архитектурой, в том числе и высококачественных имплантатов, адаптированных под конкретного пациента. Эндопротез должен быть легким, но прочным, так как под воздействием внешних нагрузок он деформируется, что влияет на его долговечность.
Сейчас большинство модификаций протезов допускают только поверхностный контакт между тканями организма и внешним слоем имплантата, но его можно усилить. При многократном увеличении можно увидеть, что структура материала напоминает ячейки, которые обеспечивают пористость. Она влияет на прочность и лучшее соединение конструкции с живыми тканями. Меняя форму и расположение ячеек, можно улучшить интеграцию кости и протеза. Традиционные конструкции этого не позволяют.
Ученые из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо разработали модель, которая проектирует пористый протез тазобедренного сустава со свойствами для конкретного человека. Модель позволяет определить нагруженные и малонагруженные места в смоделированном эндопротезе. Его конструкция описывается элементарными ячейками, которые непосредственно взаимодействуют с тканями организма. При невысоких значениях напряжений ячейка является малонагруженной, считается нефункциональной и удаляется из внутренней структуры протеза. В процессе такой модификации ученые контролируют параметры, отвечающие за пористость и жесткость элементарной ячейки. Проектирование идет до тех пор, пока структура протеза не будет изменяться.
На производстве с помощью такого вычислительного метода можно автоматизировано проектировать высокотехнологичные эндопротезы нижних конечностей под индивидуальный запрос пациента.
«Для проектирования имплантата необходимы вид и геометрия протеза, рост и вес пациента, набор данных о цикле походки. Стоит отметить, что разработанный метод подходит и для протезов других частей тела, а также применим для любого твердого тела», – поделился доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Алексей Кучумов.
Для проверки метода политехники провели эксперимент с цилиндрической балкой, имитирующей ножку тазобедренного имплантата. Балку нагрузили сжимающими и изгибающими силами. В результате структурно-топологического проектирования напряжения в конструкции уменьшились, но при этом и объем всей конструкции уменьшился на 6,8 процентов.
«Расчеты с помощью метода представительных элементов, используемого при структурно-топологическом проектировании, и прямого метода моделирования показали хорошую количественную и качественную сходимость. Однако метод представительных элементов требует меньших ресурсов, что позволяет за короткий период времени при меньших мощностях проводить автоматизированное индивидуализированное проектирование протезов», – рассказал профессор Университета Лафборо Вадим Зильбершмидт.
С помощью данной модели научный коллектив провел численные эксперименты для двух видов тазобедренных протезов. Объемы двух типов имплантатов уменьшились на девять и 11 процентов соответственно. В то же время несущая способность протезов тазобедренного сустава не изменилась.
«Мы получили два вида оптимизированных эндопротезов. С использованием нашей модели стало возможно воссоздать их с меньшими затратами времени, материалов и энергии. Но при этом с лучшей биосовместимостью и устойчивостью к внешним нагрузкам. Ранее такой подход не применялся», – отметил научный сотрудник Казанского Федерального Университета Павел Большаков.
Telegram 
Дзен 
VK Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Люди регулярно гибнут в пожарах — например, в России в прошлом году таких случаев столько же, сколько умышленных убийств. Бороться с этим можно, однако средства этой борьбы, дымодетекторы и системы разбрызгивателей в домах, стоят денег, поэтому в России их почти нет. Вдобавок тушение водой портит часть вещей в доме. Новая разработка американского стартапа претендует на замену водного тушения, причем без типичных для него недостатков.
Переход к оседлой жизни и выращиванию кукурузы на юге Анд оказался историей затяжного кризиса. Международная группа ученых выяснила, как местные сообщества и группы мигрантов сообща пытались пережить последствия этой трансформации.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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