Ученые создали «умный» ортез для пальцев из материала с эффектом памяти формы

Согласно медицинской статистике, переломы пальцев составляют около трети всех бытовых и спортивных травм костной системы, занимая ведущее место среди причин обращения в травмпункты. Эта закономерность имеет простое объяснение: именно на них приходится основная нагрузка в повседневной деятельности — от тончайших манипуляций с современными гаджетами до серьезных физических усилий. Многофункциональность верхней конечности происходит благодаря сложной анатомической конструкции, объединяющей хрупкие кости, подвижные суставы и эластичные связки. Именно это совершенство делает их чрезвычайно уязвимыми — достаточно одного неосторожного движения, резкого удара или падения с упором на руку, чтобы получить серьезную травму.

Но само повреждение — это только начало проблемы. Главные трудности возникают на этапе лечения и восстановления. Ключевая опасность кроется не столько в самом переломе, сколько в качестве последующей фиксации. Традиционные методы иммобилизации (обездвиживания поврежденного участка) — громоздкие гипсовые повязки или жесткие пластиковые шины — часто приводят к серьезным осложнениям. Существующие ортезы (специальное медицинское приспособление для фиксации и поддержки конечностей) часто не решают этих проблем — они могут недостаточно плотно «обхватывать» палец, не позволяют регулировать степень сжатия при рассасывании отека, а некоторые модели ограничивают подвижность соседних здоровых суставов. 

Если повязка наложена неидеально или ослабла, когда отек спал, кость может срастись неправильно. Это приводит к долгим месяцам реабилитации, хроническим болям, тугоподвижности суставов и, в конечном счете, стойкому нарушению мелкой моторики. Создание современного, эффективного и удобного средства фиксации — важная задача для современной медицины и биомеханики.

Ученые Пермского Политеха разработали новый ортез, который кардинально меняет подход к восстановлению после травм пальцев. Его основу составляет термоусаживаемая трубка из специально разработанного сшитого полиэтилена (это означает, что молекулы материала соединены прочными поперечными связями, образуя единую сетчатую структуру), которая демонстрирует уникальные свойства памяти формы. Этот материал способен запоминать свою первоначальную конфигурацию и возвращаться к ней после термического воздействия. Статья опубликована в «Российском журнале биомеханики», т. 29, №3, 2025 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM- 2023-0006).

— Технология применения ортеза проста. На забинтованный палец пациента надевают предварительно расширенную при температуре 120°C полимерную трубка, после чего ее нагревают с помощью медицинского фена до температуры 60–70°C. Под воздействием тепла материал, обладающий памятью формы, начинает плавно сжиматься, плотно облегая анатомические особенности пальца и формируя идеально подогнанную фиксирующую конструкцию, — рассказала Юлия Фасхутдинова, научный сотрудник кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.

Особенность разработки — возможность многократной коррекции степени фиксации в процессе лечения. По мере уменьшения посттравматического отека врач может повторно прогреть ортез, обеспечивая его дополнительную усадку и поддерживая оптимальное давление на ткани. Это решает одну из основных проблем традиционного гипсования, когда после спадания отека повязка перестает выполнять свою фиксирующую функцию.

На этапе создания методики исследователи хотели получить механические характеристики трех типов материалов: сшитого полиэтилена, марлевого слоя, мягких тканей пальца руки. Для этого ученые проводили испытания на лабораторных макетах с применением специальных измерительных комплексов, а затем опробовали на людях.

— Для проведения расчетов необходимо было получить экспериментальную зависимость напряжений и деформаций для бинтового слоя, а также для живых тканей пальца руки. Мы разработали уникальную методику «винтовой намотки», позволяющую без специальных экспериментальных установок получить нужные данные. Суть метода заключается в оценке деформации тканей по мере удлинения ленты. Ее наматывают на палец с одной стороны, а с другой на ленту подвешивают калиброванный груз. Исследуя характеристики марлевого слоя, исследователи многослойно наматывали бинт на жесткую недеформируемую основу из алюминиевой трубы. Поверх него наматывали ленту, подвешивали грузы и измеряли удлинение ленты. Полученные параметры деформации стали основой для построения точной 3D-модели системы «палец-бинт-ортез» в специализированном программном комплексе Ansys, — объяснил Олег Сметанников, доктор технических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.

Комплексный подход открыл возможность виртуального тестирования различных конфигураций ортеза, где особое внимание исследователи уделили вопросам безопасности разработанной конструкции. С помощью численного моделирования ученые нашли параметры, при которых создаваемое «фиксатором» давление на ткани не превышало критического значения восемь–десять килопаскалей (давление перекрытия кровотока, при превышении которого может нарушиться кровоснабжение тканей). Это сохраняет нормальное кровоснабжение пальца во время лечения.

Для практикующих врачей ученые разработали четкие рекомендации по подбору оптимальных параметров в зависимости от индивидуальных анатомических особенностей пациента (например, время нагрева для разных зон фиксации, алгоритм коррекции при спаде отека и т.д.).

Исследователи предлагают новую технологию к проведению клинических испытаний и внедрению в практику. Использование доступных промышленных компонентов делает разработку экономически целесообразной, а простота применения позволяет быстро освоить методику в медицинских учреждениях различного уровня. Ученые планируют запатентовать данную разработку.

ПНИПУ

1367 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram