Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали модель 3D-печатной гильзы экзопротеза из полимера с армирующими углеродными волокнами. Аддитивные технологии в сочетании с численным моделированием могут использоваться в производстве ортопедических гильз со свойствами, адаптированными к потребностям конкретных пациентов.
3D-печать успешно применяется в производстве биомедицинских изделий со сложной трехмерной архитектурой, включая имплантаты и экзопротезы. Для повышения прочности и долговечности полимерных изделий в аддитивной отрасли широко используются композиционные материалы с армирующими элементами из коротких и непрерывных углеродных волокон.
Ученые ПНИПУ создали математическую модель протеза для изучения механического взаимодействия между мышечными тканями и самим протезом, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science. Ортопедическая гильза в форме цилиндра на основе 3D-печатной полимерной матрицы армирована углеродными волокнами в виде стержней. При использовании стержней для укрепления гильзы необходимо учитывать их расположение и взаимодействие с матрицей.
Политехники исследовали модели матриц с различным расположением прутков и различными полимерами. В общей сложности ученые создали шестнадцать расчетных моделей, по которым определяли оптимальное сочетание свойств матрицы и стержней, а также оптимальные дистанции между стержнями.
«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», — рассказал доцент кафедры динамики и прочности машин Михаил Ташкинов.
Ученые исследовали взаимодействие мягких тканей с протезом в каждой численной модели с различными полимерными матрицами и вариантами армирования. Механическое поведение оценивалось по максимальным напряжениям вдоль оси, а также по распределению давления на внутренней границе гильзы. По результатам численного моделирования политехники установили, что при низких упругих свойствах полимерного материала армирование играет важную роль в распределении напряжений в гильзе. Наилучшие прочностные характеристики будут достигнуты при равномерном распределении углеродных прутков. Ученые использовали результаты расчетов при проектировании основной модели ортопедической гильзы.
«Ожидается, что полученные результаты позволят проектировать конструкции экзопротезов, сочетающие персонализированную геометрию, достигнутую благодаря возможностям 3D-печати, и улучшенные механические свойства благодаря использованию непрерывных волокон», — пояснил Михаил Ташкинов.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, доклад научной команды опубликован в журнале Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.