\Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования» культеприемных гильз протезов, который позволяет повысить их прочность более чем на 40%. Технология основана на компьютерном моделировании нагрузок и локальном внедрении углепластиковых нитей в наиболее нагруженные зоны конструкции. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Культеприемная гильза — ключевой элемент любого протеза: именно она соединяет искусственную конечность с телом человека и принимает на себя основную нагрузку при ходьбе, беге и других движениях. Гильза должна одновременно быть удобной для пациента и выполнять роль несущей конструкции. Однако при традиционном изготовлении из однородных материалов давление распределяется неравномерно и концентрируется в отдельных точках. Это приводит к болевым ощущениям, повреждениям кожи, ускоренному износу изделия и рискам для безопасности.
В ПНИПУ предложили применить направленное усиление конструкции. Разработанный метод «интеллектуального армирования» основан на детальном компьютерном моделировании распределения давления в гильзе при ходьбе. На основе 3D-скана культи создается виртуальная модель, в которой выявляются зоны максимальных механических воздействий — так называемые «горячие точки».
«В качестве армирующего материала мы выбрали углепластиковые нити. Они невероятно прочные и жесткие, но при этом очень легкие. Нить диаметром всего 0,3 мм выдерживает нагрузку до 520 МПа, тогда как предел прочности нейлона, из которого печатается гильза, составляет около 15,5 МПа», — пояснила Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
В выявленные зоны риска в цифровой модели встраивается каркас из тонких углеродных нитей — своеобразный индивидуальный «цифровой скелет» гильзы. При этом инженеры могут точно настраивать параметры усиления: количество нитей, расстояние между ними и глубину залегания в материале.
«Углеродные волокна берут на себя основное механическое напряжение и защищают полимер от разрушения. Такой подход позволяет перераспределить нагрузку и существенно повысить надежность конструкции без увеличения массы и потери комфорта для пациента», — рассказал Михаил Ташкинов, заведующий лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Расчеты показали, что интеллектуальное армирование снижает опасную нагрузку на пластик более чем на 40%, делая гильзу значительно более устойчивой к износу и поломкам. В перспективе технология может быть реализована на практике следующим образом: врач выполняет 3D-скан культи, программное обеспечение рассчитывает индивидуальную карту нагрузок и формирует инструкцию для 3D-принтера. В процессе печати из нейлона оборудование автоматически вплетает углепластиковые нити именно в уязвимые зоны.
Разработка уже прошла этап комплексного компьютерного моделирования и готова к внедрению в производство. По мнению авторов, технология способна заметно повысить надежность и безопасность протезов и в перспективе улучшить качество жизни тысяч людей с ампутациями.
Ранее в России создали «умный» материал для восстановления костей.
