Современные технологии открывают большие возможности для персонализированной ортопедии, позволяя оптимизировать параметры протезов под анатомические особенности каждого человека. Основные проблемы 3D-печатных экзопротезов, в частности для транстибиальных ампутаций (ниже колена), заключаются в неравномерной нагрузке на конструкцию, приводящей к ее разрушению. Ученые Пермского Политеха разработали способ создания прочных и легких экзопротезов с помощью 3D-печати и укрепления углеродным волокном. Новый метод позволяет значительно повысить долговечность и надежность изделий, обеспечивая их комфорт и индивидуальную адаптацию под анатомию пациента.

Результаты опубликованы в журнале «Polymers», 2025. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10350).

Экзопротез – это устройство, замещающее утраченную конечность и частично восстанавливающее ее функции. В отличие от имплантатов, которые вживляются внутрь организма, оно используется наружно и крепится к культе (остатку части тела после удаления).

Экзопротез при транстибиальной ампутации (на уровне ниже колена) состоит из трех основных компонентов: гильзы, опоры и стопы. Гильза представляет собой чашеобразную конструкцию, которая надевается на конечность и передает механическую нагрузку от тела на протез. Ее можно спроектировать и напечатать на 3D-принтере на основе данных комплексного сканирования конечности человека. Это единственная деталь, подстраивающаяся под форму культи, остальные – опора и стопа, могут быть выполнены на основе стандартных изделий.

Однако остается проблема повышения прочности гильзы, так как на нее воздействует нагрузка всего тела человека, что приводит к образованию и распространению трещин на ее поверхности. Улучшить механические характеристики возможно за счет добавления в структуру упрочняющих элементов, таких как стекловолокно, углеродные, кварцевые, силикатные волокна и другие. При этом усиление конструкции целиком нецелесообразно из-за значительных затрат на материал.

Ученые Пермского Политеха предложили новый способ повысить надежность экзопротезов отдельными прутками, состоящими из углеродных волокон и полимера и внедренными в критически нагруженные участки протеза. Углеродное волокно, известное своей высокой прочностью и легкостью, позволяет распределить нагрузку, предотвращая образование трещин и повышая устойчивость конструкции.

В качестве материала гильзы политехники использовали полиамид PA12 (нейлон) – полимер с высокими прочностными и жесткостными характеристиками, который широко применяют в 3D-печати в области биомедицины. В качестве армирующего материала использовали углеродные прутки из 3000 непрерывных волокон и полимера.

Компьютерное моделирование дает возможность заранее изучить свойства материала и детально отследить его изменения и деформации. Так, воспроизводя процесс нагружения образцов, политехники смогли выявить зоны, склонные к появлению трещин под неравномерной нагрузкой. Далее, по 3D-модели гильзы определили, какое расстояние между углеродными прутками наиболее оптимально и обеспечивает необходимую прочность детали.

– Укрепляющие элементы принимают на себя основную нагрузку, делая протез гораздо прочнее. Но если расположить их слишком далеко друг от друга, они перестанут работать так эффективно. При этом важно минимизировать количество прутков, чтобы сэкономить материалы и не утяжелить конструкцию. Мы подобрали расстояние, которое обеспечивает наилучший баланс прочности и веса гильзы, – объясняет Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

На основе полученных результатов ученые изготовили прототип гильзы с локальным усилением. Для этого с помощью роботизированной установки сначала создали половину предполагаемой толщины стенки протеза. Далее проводили укрепление прототипа отдельными углеродными прутками по специально разработанной траектории. После закрывали их дополнительными слоями полимера, а деталь дорабатывали до восстановления требуемой толщины стенки гильзы.

Такой подход позволяет качественно интегрировать углеродные прутки в процессе печати, обеспечивая их прочное сцепление с полимерным основанием, а также сократить время изготовления персонализированных протезов.

– Локальное укрепление эффективно усилило высоконагруженные зоны протеза. Приложение нагрузки, равной весу тела пациента весом 100 кг, показало, что наличие прутков снизило напряжение в конструкции на 16.2%. При этом ее вес увеличился лишь на 1 грамм, – поделился Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Технология создания легких и прочных протезов ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для персонализированной ортопедии. Предложенная методология сочетает преимущества аддитивного производства и композитных материалов, что повышает долговечность и надежность изделий, а также учитывает индивидуальные потребности пациентов.