Сегодня все чаще применяются передовые технологии для создания экзопротезов, которые помогают восстановить мобильность человека при потере или повреждении конечности. Они представляют собой внешнюю конструкцию, которая помещается на поверхности тела и создает аналог потерянной части. Основная составляющая протеза — ортопедическая гильза, она обеспечивает соединение между телом и протезом. На сегодняшний день разрабатываемые типовые конструкции гильз не всегда выполняют свои функции. Для эффективной реабилитации пациента при их проектировании должны быть учтены геометрия оставшейся конечности и взаимодействие протеза с мягкими тканями. Устранение недостатков может быть достигнуто путем совершенствования их конструкций современными технологиями и подходящими материалами. Ученые Пермского Политеха разработали модель ортопедической гильзы экзопротеза, изготовленного методом аддитивного производства из полимерных материалов с укрепляющими углеродными волокнами. Разработка обеспечит людей, потерявших конечность, долговечными и качественными протезами, которые учитывают все индивидуальные особенности человеческого тела.
В Пермском Политехе разработали метод создания тазобедренного экзопротеза на основе 3D-печати и углеродных волокон / ©Getty images
Статья с результатами опубликована в журнале Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design. Проектирование и моделирование гильзы выполнено в рамках исследований, поддержанных программой Мегагрантов. Исследование позиционирования углеродных прутков выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Применение технологий аддитивного производства в сочетании с подходами численного моделирования могут использоваться для создания ортопедической гильзы со свойствами, адаптированными к потребностям конкретного пациента. 3Д-печать успешно применяется как эффективный способ изготовления биомедицинских изделий со сложной трехмерной архитектурой, включая имплантаты и экзопротезы. Для долговечности, прочности и качественности 3Д-печатных полимерных изделий используются армирующие (укрепляющие) элементы из коротких и непрерывных углеродных волокон. Они приводят к увеличению механической прочности композиционных структур.
В своей работе ученые создали математическую модель протеза, которая позволяет изучить механическое взаимодействие между мышечной тканью и самим протезом. Ортопедическая гильза разрабатывалась в форме цилиндра на основе 3Д-печатной полимерной матрицы (основания изделия), внутрь которой ученые внедрили армированные углеродные волокна в виде стержней (прутков). При использовании прутков для укрепления гильзы нужно учитывать их расположение в самой матрице и их взаимодействие с ней.
Для этого политехники исследовали модели матриц с различным расположением прутков и различными полимерами. В общей сложности ученые создали 16 расчетных моделей, по которым определяли наилучшее сочетание свойств матрицы и прутков, а также находили оптимальное расстояния между соседними прутками.
«Особый интерес для нас представляло изучение взаимодействия между протезом и мышечной тканью, поэтому были смоделированы мягкие ткани человека. Рассматривалась упрощенная модель мягкотканного контура бедра, который был разделен на два основных сегмента, соответствующих мышечной и костной тканям. Размеры были масштабированы в соответствии со средним размером окружности бедра человека», – рассказывает доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаил Ташкинов.
Ученые исследовали, как взаимодействуют мягкие ткани с протезом в каждой численной модели с различными полимерными матрицами и вариантами армирования. Оценивали механическое поведение по максимальным напряжениям вдоль оси, а также по распределению давления на внутренней границе гильзы экзопротеза. В итоге по результатам численного моделирования политехники установили, что при низких упругих свойствах полимерного материала армирование играет важную роль в распределении напряжения в гильзе протеза. Наилучшие прочностные характеристики будут достигнуты при равномерном распределении углеродных прутков. Данные результаты ученые использовали при проектировании основной модели ортопедической гильзы для протеза.
«Ожидается, что полученные результаты позволят проектировать конструкции экзопротезов, сочетающие персонализированную геометрию, достигнутую благодаря возможностям 3D-печати, и улучшенные механические свойства благодаря использованию непрерывных волокон», – поделился Михаил. Разработка важна для эффективной реабилитации пациентов с повреждением и потерей конечностей.
