Исследователи подведомственного Минобрнауки России Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) изучили свойства близкого по характеристикам к человеческой кости однонаправленного композита и с его помощью улучшили модель износостойкого протеза. В отличие от иностранных аналогов, российская разработка не потребует повторного хирургического вмешательства.
По данным Всемирной организации здравоохранения, увеличение продолжительности жизни человечества привело к росту количества заболеваний и повреждений тазобедренного сустава. В современной медицине для полной или частичной замены сустава используют эндопротезы.
Однако при изготовлении эндопротезов в качестве компонентов чаще всего используются металлы, чья разница в твердости с кортикальной (плоской) костью приводит к постепенному расшатыванию протеза, и через 5-10 лет требуется повторное хирургическое вмешательство.
Научная группа ПНИПУ решила использовать в составе износостойкого протеза однонаправленный композит, который близок по свойствам к кости человека, и обнаружила, что полученная модель не требует проведения повторных операций.
«На сегодняшний день отечественные эндопротезы тазобедренных суставов являются прямыми конкурентами зарубежных аналогов. Заграничные протезы изготавливаются из сплавов металла, вследствие чего часто появляются воспалительные реакции околосуставных тканей на микропыль, возникающую в результате механического трения частей протеза при движении. Использование протезов из углерод-углеродного композита исключает необходимость повторных операций по их извлечению и замене», — говорит инженер-конструктор Уральского научно-исследовательского института композиционных материалов, студент кафедры проектирования и производства автоматических машин ПНИПУ Егор Разумовский.
Протез состоит из двух частей — сферы и ножки. Первая сделана из волокнистого однонаправленного композиционного материала с углеродными волокнами и фенолформальдегидной матрицей. Вторая — из титана, устанавливается с натягом на цилиндрическую конусную поверхность ножки. Для проведения расчета напряженно-деформированного состояния ножки протеза политехники разработали необходимую конечно-элементную компьютерную модель.
«В результате проведенного расчета прочности протеза, внедряемого в структуру под действием статической нагрузки, получены результаты, которые свидетельствуют об отсутствии выполнения условий прочности по пределу текучести как для самого протеза, так и для структуры», — поделилась кандидат экономических наук, доцент кафедры экономики и управления промышленным производством ПНИПУ Светлана Пономарева.
Российская разработка по своим характеристикам схожа с костью, что исключает резорбцию (рассасывание) костной ткани и расшатывание в бедренной кости. После 7-10 лет материал протеза частично замещается костной тканью, а высвободившийся углерод участвует в метаболизме организма. В этом еще одно преимущество российской разработки перед зарубежными аналогами.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Machinery Manufacture and Reliability. Разработка поддержана корпорацией «Тактическое ракетное вооружение» и инвесторами. Производство нового эндопротеза запланировано на 2025 год в городе Нытва Пермского края, где организуют производство изделий из композиционных материалов в медицинских целях.