Российские ученые совершенствуют методику цифрового проектирования и 3D-печати кастомизированных имплантатов

Специалисты Центра компьютерного инжиниринга (CompMechLab) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), кафедры теоретической и прикладной механики Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ) и Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Р. Р. Вредена участвуют в разработке методики цифрового проектирования и производства индивидуальных ортопедических имплантатов на основе аддитивных технологий.

В числе ключевых задач — разработка методики создания «умных» цифровых моделей кастомизированных эндопротезов высокой степени адекватности с возможностью отслеживания эволюции системы «сустав–имплантат» на всем протяжении жизненного цикла. Как сообщает пресс-служба Центра компетенций Национальной технологической инициативы СПбПУ, на текущем этапе завершены основные расчеты прочностных свойств нескольких типов имплантатов, подтверждена адекватность разработанных эндопротезов, подготовлены рекомендации по оптимизации конструкций. Магистрант Института передовых производственных технологий СПбПУ, сотрудник Центра компетенций НТИ СПбПУ и участник проекта Илья Зелинский защитил магистерскую диссертацию, посвященную оценке напряженно-деформированного состояния системы «скелет–эндопротез» после установки индивидуального эндопротеза при ревизионной операции, три студента ИГЭУ защитили бакалаврские выпускные работы и продолжают научно-исследовательскую работу в магистратуре.

С 2015 по 2020 год в НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р. Р. Вредена под руководством директора, доктора медицинских наук, профессора Рашида Тихилова проведено около двухсот операций по имплантации индивидуальных конструкций.

«Мы начали с цифрового моделирования имплантатов и расчетов их прочности. Теперь, когда базовая задача решена, необходимо сформировать методику, позволяющую ускорить расчетные проверки имплантата с шести месяцев до одного, а также снизить стоимость эндопротеза как в проектировании, так и в производстве, чтобы технология могла использоваться на потоке», — рассказывает руководитель проекта от Центра НТИ СПбПУ Михаил Жмайло.   

Одним из основных барьеров для широкого применения технологии является трудоемкость разработки и отсутствие необходимых специалистов в клиниках, а также дороговизна лицензий специального программного обеспечения. 

«Подобные разработки — очень наукоемкие, сложные, требующие кропотливой работы при подготовке цифровых моделей. Сейчас тестируется программное обеспечение нового уровня, использующее бессеточный численный метод, который пока не применяется в России. Это позволит повысить качество моделей, ускорить расчеты и значимо удешевить технологию», — поясняет доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой ТиПМ ИГЭУ, ведущий научный сотрудник Центра НТИ СПбПУ Леонид Маслов. 

Ключевые физико-биологические вызовы, стоящие перед разработчиками, заключаются в необходимости замены имплантатов по истечении определенного периода времени, уникального для каждого пациента. Если в большинстве случаев при неосложненных повреждениях и заболеваниях сустава возможно стандартное протезирование, то при повторном эндопротезировании, особых нарушениях развития, последствиях сложных травм, обширных разрушениях костей необходимо индивидуальное моделирование с учетом анатомии пациента. Особую категорию составляют пациенты, перенесшие хирургическое вмешательство в связи с онкологическими заболеваниями, при котором стандартные эндопротезы неприменимы из-за большого объема удаленной костной основы. 

Кроме того, в эндопротезировании встал вопрос на порядок более сложный: возможно ли моделирование поведения не только конструкций, но и костных тканей в условиях циклической нагрузки? Несмотря на то, что эта область выходит за пределы собственно инженерных задач, участники разработки остаются частью проектной команды. 

«Целесообразно объединять смежные области: биомеханику, технологии захвата движения, инжиниринг, а в перспективе — биологию, гистологию и другие медицинские субспециальности. Любые эндопротезы имеют определенный ресурс, у части пациентов их приходится менять. Наиболее упрощенный пример — пломбы в тканях зубов. Другое дело иметь возможность установить эндопротез не просто титановый или полимерный, а биологический, обладающий, как живая ткань, свойствами к восстановлению в условиях износа. Такие задачи направлены далеко в будущее. В настоящее время целью является восстановление сустава с помощью уже доступных технологий с обеспечением его максимально длительного функционирования. Тем не менее текущее исследование — это один из шагов по направлению к идеальному варианту разрешения проблемы. Необходим поиск таких решений в связке академической и прикладной науки, в том числе на основе наших результатов, которые во многом для России уникальны», — считает кандидат медицинских наук, врач травматолог-ортопед, научный сотрудник лаборатории трехмерного прототипирования НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р. Р. Вредена Антон Коваленко. 

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.