Учёные Пермского Политеха разработали первую в мире компьютерную модель, которая позволяет прогнозировать «старение» углеродных имплантатов — от зарождения микротрещин до реальной потери прочности всего протеза в теле пациента. Речь идёт об угле‑углеродных композиционных материалах, которые считаются перспективной заменой традиционным металлическим эндопротезам. Модель показывает, как невидимые глазу дефекты на уровне отдельных кристалликов углерода постепенно накапливаются и в итоге приводят к ослаблению искусственного сустава.
Спрос на эндопротезирование растёт по всему миру, а вместе с ним растут и требования к долговечности имплантатов. Металлические протезы хоть и прочны, но слишком жёсткие по сравнению с костью. Они вызывают «экранирование напряжений»: кость под протезом недополучает нагрузку, постепенно рассасывается, а сам имплантат расшатывается. Плюс риск аллергии и воспалений из‑за ионов металлов. В итоге срок службы таких конструкций часто ограничен 10–15 годами.
Угле‑углеродные композиционные материалы решают многие из этих проблем. Их жёсткость ближе к натуральной кости, они не корродируют, не экранируют МРТ и КТ, не вызывают сенсибилизации. Но у них есть своя «ахиллесова пята»: сложная, неоднородная микроструктура из множества микрокристаллов. Даже относительно небольшие удары или перегрузки (споткнулся, поскользнулся) могут вызывать микроповреждения в этих кристаллитах, меняя поведение материала в долгосрочной перспективе.
Классические методики расчёта прочности предполагают, что материал однороден и идеален, — для композитов это допущение становится критичной ошибкой. Пермские исследователи создали двухуровневую модель. На первом, микроскопическом уровне алгоритм просчитывает, как деформируется каждый «кирпичик» структуры: оценивает риск разрушения по нескольким критериям (растяжение, сдвиг и др.) и считает долю полностью разрушенных, частично повреждённых и целых кристаллов.
На втором, макроуровне моделируется уже вся бедренная часть эндопротеза в связке с костью. В 3D‑модели задаются нагрузки, соответствующие ходьбе и другим движениям, и вычисляются зоны максимальных напряжений. Далее запускается циклический процесс: макромодель передаёт в микромодель данные о деформациях, та «ухудшает» свойства материала в зонах предполагаемых микроповреждений, после чего расчёт повторяется уже для частично ослабленного имплантата. Циклы идут до тех пор, пока система не достигнет предела прочности.
Так удалось получить детальную картину постепенного разрушения: выделены четыре ключевые зоны в бедренном компоненте, где повреждения копятся особенно активно. Жёсткость протеза падает не плавно, а «ступенями» — каждый скачок связан с критическим повреждением одной из зон. Модель показала псевдопластическое поведение композита: он не ломается мгновенно, а долго «терпит», перераспределяя нагрузки.
Главное — расчёты хорошо совпали с экспериментами на реальных образцах: участки максимального ослабления в модели совпали с зонами разрушений в тестах. При этом новая программа способна учитывать миллионы микрочастиц, тогда как типичные модели работают с тысячами. Это делает прогноз более надёжным и даёт инженерам инструмент для виртуальных испытаний будущих имплантатов, ещё до их производства и клиники, сообщает naked-science.ru.
Читайте также: