В ПНИПУ усовершенствовали проектирование 3D-печатных тазобедренных эндопротезов

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета совместно с коллегами из Казанского федерального университета и Университета Лафборо разработали новый метод проектирования долговечных и легких 3D-печатных тазобедренных эндопротезов под запросы конкретных пациентов, сообщает пресс-служба ПНИПУ.

Замена тазобедренного сустава на протез — часто проводимая операция. К ней прибегают при серьезных повреждениях бедра, вызванных травмой или заболеваниями. Например, при остеоартрите и ревматоидном артрите происходит разрушение бедренной кости, из-за чего пациент испытывает сильную боль и теряет подвижность. В таком случае требуется замена сустава на имплантат, который в точности повторяет его анатомическую форму и восстанавливает полноценную жизнь человека.

3D-печать активно применяется как эффективный способ изготовления биомедицинских изделий со сложной архитектурой, в том числе высококачественных имплантатов, адаптированных под конкретного пациента. Эндопротез должен быть легким, но прочным, так как под воздействием внешних нагрузок он деформируется, что влияет на его долговечность.

Большинство модификаций протезов допускают только поверхностный контакт между тканями организма и внешним слоем имплантата, но его можно усилить. При многократном увеличении можно увидеть, что структура материала напоминает ячейки, которые обеспечивают пористость. Она влияет на прочность и лучшее соединение конструкции с живыми тканями. Меняя форму и расположение ячеек можно улучшить интеграцию кости и протеза.

Ученые из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо разработали модель, позволяющую проектировать пористые протезы тазобедренного сустава со свойствами для конкретного человека. Модель позволяет определять нагруженные и малонагруженные места в смоделированном эндопротезе. Его конструкция описывается элементарными ячейками, непосредственно взаимодействующими с тканями организма. При невысоких значениях напряжений ячейка считается малонагруженной, нефункциональной и удаляется из внутренней структуры протеза. В процессе такой модификации ученые контролируют параметры, отвечающие за пористость и жесткость элементарной ячейки. Проектирование идет до тех пор, пока структура протеза не будет изменяться.

На производстве с помощью такого вычислительного метода можно автоматизировано проектировать высокотехнологичные эндопротезы нижних конечностей под индивидуальный запрос пациента.

«Для проектирования имплантата необходимы вид и геометрия протеза, рост и вес пациента, набор данных о цикле походки. Стоит отметить, что разработанный метод подходит и для протезов других частей тела, а также применим для любого твердого тела», — рассказал профессор кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Алексей Кучумов.

Для проверки метода политехники провели эксперимент с цилиндрической балкой, имитирующей ножку тазобедренного имплантата. Балку нагрузили сжимающими и изгибающими силами. В результате структурно-топологического проектирования напряжения в конструкции уменьшились, но при этом и объем всей конструкции уменьшился на 6,8%.

«Расчеты с помощью метода представительных элементов, используемого при структурно-топологическом проектировании, и прямого метода моделирования показали хорошую количественную и качественную сходимость. Однако метод представительных элементов требует меньших ресурсов, что позволяет за короткий период времени при меньших мощностях проводить автоматизированное индивидуализированное проектирование протезов, — рассказал профессор Университета Лафборо Вадим Зильбершмидт.

Научный коллектив провел численные эксперименты с двумя видами тазобедренных протезов. Объемы двух типов имплантатов уменьшились на 9% и 11% соответственно, в то же время несущая способность протезов тазобедренного сустава не изменилась.

«Мы получили два вида оптимизированных эндопротезов. С использованием нашей модели стало возможно воссоздать их с меньшими затратами времени, материалов и энергии, но при этом с лучшей биосовместимостью и устойчивостью к внешним нагрузкам. Ранее такой подход не применялся», — рассказал научный сотрудник Казанского федерального университета Павел Большаков.

Результаты исследования опубликованы в журнале Numerical Methods in Biomedical Engineering.

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