Ключевая деталь протеза — гильза, которая принимает на себя всю нагрузку при движении. С помощью 3D-печати ее изготавливают по индивидуальным параметрам тела, но из-за анатомических особенностей давление в ней распределяется неравномерно, что со временем может приводить к повреждениям и угрозе безопасности. Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования» для решения этой проблемы. На основе компьютерного моделирования в самые нагруженные зоны гильзы локально встраивают углепластиковые нити, что позволяет на 40% усилить конструкцию.
Протез — высокотехнологичное устройство, призванное заменить утраченную конечность и вернуть человеку способность двигаться. Однако надежность всей конструкции во многом определяется элементом, находящимся в основании протеза, — культеприемной гильзой, которая соединяет его с телом человека.
Это связующее звено, которое должно решать две основные задачи: быть идеально удобной для пользователя и одновременно выступать в роли прочной несущей конструкции. Именно на гильзу приходится основная силовая функция при ходьбе. Она принимает на себя вес всего человека, ударные усилия при каждом движении, импульсы при беге или прыжке.
При классическом изготовлении гильза формируется из однородных материалов с практически неизменяемой толщиной и жесткостью, из-за чего давление при ходьбе концентрируется в локальных зонах контакта. Это приводит к болевым ощущениям, кожным повреждениям, ускоренному износу гильзы и необходимости частых подгонок.
3D-печать решает ключевую проблему неравномерного распределения нагрузок в культеприемной гильзе, возникающую из-за индивидуальной анатомии культи и ограничений традиционного производства. Аддитивное производство позволяет локально управлять геометрией, жесткостью и архитектурой гильзы: изменять толщину стенок, вводить решетчатые или ауксетичные структуры, а также применять направленное армирование в зонах повышенных нагрузок.
Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования», основанный на локальном внедрении углепластиковых нитей в наиболее нагруженные зоны гильзы. Технология основана на детальном компьютерном моделировании и позволяет усиливать конструкцию именно там, где при ходьбе возникают максимальные механические воздействия. Статья опубликована в журнале Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics.
— В качестве материала для армирования были выбраны углепластиковые нити. Они обладают уникальным сочетанием свойств, критически важных для протеза: невероятно прочные и жесткие, но при этом очень легкие. Нить из такого углепластика диаметром всего 0,3 миллиметра выдерживает нагрузку до 520 МПа, в то время как предел прочности нейлона, из которого печатается гильза, составляет около 15,5 МПа. Именно это позволяет точечно усиливать конструкцию в самых слабых местах, не утяжеляя ее и сохраняя идеальное прилегание к телу пациента, — объяснила Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
По сути, технология создает для гильзы индивидуальный «цифровой скелет». Для этого на основе 3D-скана культи строится виртуальная модель и осуществляется расчет распределения давления при ходьбе. Таким образом находятся «горячие точки» — участки максимальной нагрузки, где риск поломки самый высокий. Затем в эти зоны цифровой модели встраивается каркас из тонких углепластиковых стержней.
— Наш подход позволяет гибко настраивать ключевые параметры усиления: количество углеродных нитей, шаг между ними и глубину залегания. Это обеспечивает оптимальное перераспределение нагрузки, когда углеродные волокна берут на себя основное механическое напряжение, предотвращая разрушение полимерного материала гильзы, — рассказал Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Расчеты показывают, что такая конфигурация снижает опасную нагрузку на пластик более чем на 40%, что делает гильзу чрезвычайно устойчивой к разрушению при использовании.
На практике это будет работать следующим образом. Врач снимет с культевой области пациента 3D-скан и загрузит его в программу, которая рассчитает индивидуальную карту нагрузок и создаст цифровую инструкцию для специального 3D-принтера. Оборудование, следуя ей, в процессе печати из нейлона будет автоматически вплетать в гильзу карбоновые стержни — прямо в ее самые уязвимые точки. На выходе получится готовое, уже усиленное изделие.
Разработка уже прошла этап комплексного компьютерного моделирования и представляет собой готовую методологию для внедрения в производство. В перспективе это может существенно улучшить качество жизни тысяч людей с ампутациями, повысив надежность и безопасность протезов.