Ученые Пермского Политеха создали «умный» ортез для пальцев из материала с эффектом памяти формы
Переломы пальцев составляют около трети всех бытовых и спортивных травм, что объясняется их постоянной нагрузкой в повседневной деятельности. Сложное анатомическое строение с хрупкими костями и подвижными суставами делает эту область особенно уязвимой. Однако основная проблема возникает на этапе лечения: традиционные методы фиксации часто приводят к осложнениям. Жесткие шины и гипсовые повязки дают недостаточно плотную фиксацию, не адаптируются к изменению отека и ограничивают движение. Неправильное сращение кости ведет к длительной реабилитации, хроническим болям и нарушению мелкой моторики, что подтверждает необходимость создания современных решений в этой области. Ученые Пермского Политеха разработали ортез для реабилитации травмированных пальцев. Его основу составляет термоусаживаемая трубка из особого сшитого полиэтилена, обладающего памятью формы.
Статья опубликована в «Российском журнале биомеханики», т. 29, №3, 2025 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM- 2023-0006).
Согласно медицинской статистике, переломы пальцев составляют около трети всех бытовых и спортивных травм костной системы, занимая ведущее место среди причин обращения в травмпункты. Эта закономерность имеет простое объяснение: именно на них приходится основная нагрузка в повседневной деятельности — от тончайших манипуляций с современными гаджетами до серьезных физических усилий. Многофункциональность верхней конечности достигается за счет сложной анатомической конструкции, объединяющей хрупкие кости, подвижные суставы и эластичные связки. Именно это совершенство делает их чрезвычайно уязвимыми — достаточно одного неосторожного движения, резкого удара или падения с упором на руку, чтобы получить серьезную травму.
Но само повреждение — это только начало проблемы. Главные трудности возникают на этапе лечения и восстановления. Ключевая опасность кроется не столько в самом переломе, сколько в качестве последующей фиксации. Традиционные методы иммобилизации (обездвиживания поврежденного участка) — громоздкие гипсовые повязки или жесткие пластиковые шины — часто приводят к серьезным осложнениям. Существующие ортезы (специальное медицинское приспособление для фиксации и поддержки конечностей) часто не решают этих проблем — они могут недостаточно плотно «обхватывать» палец, не позволяют регулировать степень сжатия при рассасывании отека, а некоторые модели ограничивают подвижность соседних здоровых суставов.
Также, если повязка наложена неидеально или ослабла из-за спада отека, кость может срастись неправильно. Это влечет за собой долгие месяцы реабилитации, хронические боли, тугоподвижность суставов и, в конечном счете, стойкое нарушение мелкой моторики. Именно поэтому создание современного, эффективного и удобного средства фиксации является важной задачей для современной медицины и биомеханики.
Ученые Пермского Политеха разработали новый ортез, который кардинально меняет подход к восстановлению после травм пальцев. Его основу составляет термоусаживаемая трубка из специально разработанного сшитого полиэтилена (это означает, что молекулы материала соединены прочными поперечными связями, образуя единую сетчатую структуру), которая демонстрирует уникальные свойства памяти формы. Этот материал способен запоминать свою первоначальную конфигурацию и возвращаться к ней после термического воздействия.
— Технология применения ортеза проста. На забинтованный палец пациента надевается предварительно расширенная при температуре 120°C полимерная трубка, после чего производится её нагрев с помощью медицинского фена до температуры 60–70°C. Под воздействием тепла материал, обладающий памятью формы, начинает плавно сжиматься, плотно облегая анатомические особенности пальца и формируя идеально подогнанную фиксирующую конструкцию, — рассказала Юлия Фасхутдинова, научный сотрудник кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
Особенностью разработки является возможность многократной коррекции степени фиксации в процессе лечения. По мере уменьшения посттравматического отека врач может повторно прогреть ортез, обеспечивая его дополнительную усадку и поддерживая оптимальное давление на ткани. Это решает одну из основных проблем традиционного гипсования, когда после спадания отека повязка перестает выполнять свою фиксирующую функцию.
На этапе создания методики необходимо было получить механические характеристики трех типов материалов: сшитого полиэтилена, марлевого слоя, мягких тканей пальца руки. Для этого ученые проводили испытания на лабораторных макетах с применением специальных измерительных комплексов, а затем опробовали на людях.
— Для проведения расчетов нам было необходимо получить экспериментальную зависимость напряжений и деформаций для бинтового слоя и для живых тканей пальца руки. Мы разработали уникальную методику «винтовой намотки», позволяющую без специальных экспериментальных установок получить нужные данные. Суть метода заключается в оценке деформации тканей по мере удлинения ленты, которая наматывается на палец с одной стороны, а с другой на ленту подвешивается калиброванный груз. Для исследования характеристик марлевого слоя бинт многослойно наматывался на жесткую недеформируемую основу в виде алюминиевой трубы, а затем уже поверх него аналогично наматывалась лента, подвешивались грузы, и измерялось удлинение ленты. Полученные параметры деформации стали основой для построения точной 3D-модели системы «палец-бинт-ортез» в специализированном программном комплексе Ansys, — объяснил Олег Сметанников, доктор технических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
Комплексный подход открыл возможность виртуального тестирования различных конфигураций ортеза, где особое внимание исследователи уделили вопросам безопасности разработанной конструкции. С помощью численного моделирования были найдены параметры, при которых создаваемое «фиксатором» давление на ткани не превышает критического значения 8-10 кПа (давление перекрытия кровотока, при превышении которого может нарушиться кровоснабжение тканей), что гарантирует сохранение нормального кровоснабжения пальца во время лечения.
Для практикующих врачей разработаны четкие рекомендации по подбору оптимальных параметров в зависимости от индивидуальных анатомических особенностей пациента (например, время нагрева для разных зон фиксации, алгоритм коррекции при спаде отека и т.д.).
Новая технология предлагается к проведению клинических испытаний и внедрению в практику. Использование доступных промышленных компонентов делает разработку экономически целесообразной, а простота применения позволяет быстро освоить методику в медицинских учреждениях различного уровня. Также ученые планируют запатентовать данную разработку.
