Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали метод производства экзопротезов на основе 3D-печати и углеродных волокон. Разработка позволит создавать для людей, потерявших конечность, долговечные и качественные протезы, которые учитывают все индивидуальные особенности тела, рассказали в университете. Статья с результатами исследования была опубликована в научном журнале.
«Ожидается, что полученные результаты позволят проектировать конструкции экзопротезов, сочетающие персонализированную геометрию, достигнутую благодаря возможностям 3D-печати, и улучшенные механические свойства благодаря использованию непрерывных волокон», — приводятся слова доцента кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, ведущего научного сотрудника научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаила Ташкинова. Он также отметил, что разработка важна для эффективной реабилитации пациентов с повреждением и потерей конечностей.
По словам исследователя, экзопротезы представляют собой внешнюю конструкцию, которая создает аналог потерянной конечности. Соединение между телом и протезом обеспечивает ортопедическая гильза. При ее проектировании необходимо учитывать геометрию оставшейся конечности и взаимодействие протеза с мягкими тканями. Ученые Пермского Политеха разработали модель такой гильзы экзопротеза, изготовленного методом 3D-печати из полимерных материалов, укрепленных углеродными волокнами.
Исследователи создали 16 математических моделей протеза, которые позволили изучить его механическое взаимодействие с мышечной тканью. Рассматривались модели с различным расположением углеродных волокон и различными полимерами. Так ученые определяли наилучшее сочетание свойств материалов, а также находили оптимальное расстояния между углеродными волокнами.
По словам Ташкинова, особый интерес для ученых представляло изучение взаимодействия между протезом и мышечной тканью. Поэтому они смоделировали мягкие ткани человека и исследовали их взаимодействие с протезом в каждой модели. В итоге было установлено, что при низкой упругости полимерного материала армирование углеродными волокнами играет важную роль в распределении напряжения в гильзе протеза. При этом наилучшие прочностные характеристики достигаются при равномерном распределении углеродных волокон.
Проектирование и моделирование гильзы протеза было выполнено в рамках исследований по программе мегагрантов, а исследование позиционирования углеродных волокон выполнено при поддержке Российского научного фонда.
О мегагрантах
Мегагранты — программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Она стартовала в 2010 году, ее цель — создание в российских вузах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых.
В рамках программы в ПНИПУ была открыта научно-исследовательская лаборатория «Механика биосовместимых материалов и устройств». Федеральная поддержка до конца 2023 года составляет 90 млн рублей.
Источник: ТАСС