Ученые Пермского Политеха разработали подход для создания бедренного экзопротеза на основе 3D-печати и углеродных волокон

В настоящее время в области ортопедии 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. Основной составляющей протеза является 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.

Статья с результатами опубликована в журнале «Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design», 2023. 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. 3D-печать успешно применяется как эффективный способ изготовления биомедицинских изделий со сложной трехмерной архитектурой, включая имплантаты и экзопротезы. Для долговечности, прочности и качественности 3D-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 3D-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.