Ученые Пермского Политеха 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 является 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.
Статья опубликована в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
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 1 миллиона таких операций. Рынок эндопротезирования тазобедренного сустава сегодня оценивается в 8,7 млрд 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.
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 кг вероятность того, что в каком-то из участков возникнет повреждение, составила почти 10%, а при 400 кг — уже 38%. При этом самые опасные виды разрушений появляются только при давлении выше 650 кг — такое бывает в основном у спортсменов. Для среднестатистического человека нагрузки на сустав редко превышают 220 кг. 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.