В России приблизились к замене металлических протезов на углепластиковые
Проблема износа тазобедренных суставов с каждым годом становится все актуальнее: малоподвижный образ жизни, лишний вес и старение населения ведут к инвалидизации и снижению качества жизни. Традиционные металлические протезы, которые сегодня ставят миллионам пациентов, со временем расшатываются, вызывают воспаление и требуют повторных операций. Альтернативой оказывается углерод-углеродный композит — биосовместимый и износостойкий материал, который уже доказал свою пригодность для бедренного компонента имплантата. Однако протез состоит не только из него, но и из другой детали, которая работает в более сложных условиях и сильнее подвержена разрушению. Именно эта часть конструкции до сих пор не была изучена, а значит, создавать полноценные композитные протезы сейчас преждевременно. Ученые Пермского Политеха впервые восполнили этот пробел: они создали модель чаши из углепластика и определили, при каких нагрузках в ней начинаются повреждения. Результаты позволят инженерам перейти к проектированию полностью композитных эндопротезов с предсказуемым сроком службы.
Эндопротезирование — одна из самых востребованных операций в мире. Малоподвижный образ жизни, избыточный вес и старение населения сегодня приводят к тому, что износ суставов стал одной из главных медико-социальных проблем, поскольку ведет к инвалидизации людей трудоспособного возраста, снижению качества жизни и огромным экономическим затратам на лечение и реабилитацию.
Особенно часто протезирование связано с заменой тазобедренного сустава. По последним данным, ежегодно в мире выполняется около одного миллиона таких операций. Рынок эндопротезирования тазобедренного сустава сегодня оценивается в 8,7 миллиарда долларов и продолжает расти.
Традиционно такие протезы делают из металла, однако их жесткость не совпадает с жесткостью кости. Со временем у пациента это может привести к воспалению и разрушению тканей вокруг имплантата, расшатыванию конструкции и вызвать необходимость повторных операций.
Одним из наиболее перспективных материалов для замены металла является углерод-углеродный композит. Он обладает высокой износостойкостью и абсолютной биосовместимостью с костной тканью.
Чтобы применять этот материал в реальных протезах, важно понимать, из каких частей он состоит и как каждая из них работает. Первая — это ножка (бедренный компонент), которая вставляется внутрь кости и заменяет собой часть бедра вместе с суставом. Вторая часть — чаша: округлая деталь, которая крепится к тазовой кости и соединяет ее с бедренной частью протеза в единую конструкцию. Она обеспечивает подвижность сустава и принимает на себя основную нагрузку при ходьбе, беге и других движениях.
Если для ножки применение композита уже изучено, то для чаши в научной литературе до сих пор нет исследований. Это связано с тем, что внутренняя структура углерод-углеродного композита сложная и неоднородная. Как и в любом другом материале, в нем со временем могут появляться микротрещины и другие повреждения, которые приводят к расшатыванию или разрушению протеза.
Однако если металлы и сплавы устроены достаточно просто, что позволяет с высокой точностью предсказывать поведение детали, то композит имеет другое строение, и предсказать скорость его разрушения обычными инженерными методами невозможно.
Ранее ученые Пермского Политеха разработали первую в мире компьютерную модель, которая учитывает хаотичную структуру композита и позволяет прогнозировать повреждения для ножки протеза.
Тем не менее, для надежной работы протеза все его части должны быть выполнены из одного материала. Теперь пермские исследователи впервые изучили углерод-углеродный композит в конструкции чаши эндопротеза. Результаты исследования позволят инженерам заранее рассчитывать, при каких нагрузках и в каких зонах начнутся первые повреждения, а значит — проектировать полноценные имплантаты с предсказуемым сроком службы. Статья опубликована в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика».
Сначала исследователи построили компьютерную модель компонента. Из предыдущих исследований уже было известно, что внутреннее устройство таких композитов неоднородно, и отдельные их участки обладают различными свойствами. Соответственно, при разном давлении разрушаться они будут по-разному.
— Нужно было понять, как поведут себя обе части материала при нагрузках, которые возникают в реальном суставе при ходьбе, беге или подъеме по лестнице. Для этого в модели мы задали нагрузку и постепенно повышали ее от 0 до 400 килограммов, фиксируя, что происходит внутри чаши. Такой диапазон выбран потому, что он охватывает и обычные бытовые нагрузки, и экстремальные, которые могут возникать у физически активных людей, — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Анализ показал, что первые микротрещины возникают при нагрузке примерно 220 килограммов. Однако из-за сложной структуры разрушение не возникает строго при одной и той же нагрузке каждый раз. Чтобы получить более точную картину, исследователи перебрали тысячи возможных вариантов структуры материала и получили не одну цифру, а вероятности разрушения компонента при разном давлении.
— Например, при нагрузке 300 килограммов вероятность того, что в каком-то из участков возникнет повреждение, составила почти 10%, а при 400 килограммов — уже 38%. При этом самые опасные виды разрушений появляются только при давлении выше 650 килограммов — такое бывает в основном у спортсменов. Для среднестатистического человека нагрузки на сустав редко превышают 220 килограммов. Это значит, что чаша из углерод-углеродного композита в повседневной жизни не получает повреждений, — отметил Егор Разумовский.
Исследование пермских ученых дает инженерам и конструкторам точные и проверенные данные: при какой нагрузке, в каком месте чаши и с какой вероятностью появляются первые дефекты.
В результате разработка цельного имплантата из композита переходит из разряда теоретических гипотез в область реального инженерного проектирования с полностью предсказуемыми характеристиками прочности, долговечности и повреждения. Для пациентов это означает потенциальную возможность получить протез, который не расшатывается годами и не требует повторных операций.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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