Ученые Пермского Политеха создали модель углепластиковой чаши для эндопротеза

Ежегодно в мире проводится около миллиона операций по замене тазобедренного сустава, а рынок эндопротезирования оценивается в 8,7 миллиарда долларов. Однако металлические протезы имеют серьезный недостаток — их жесткость не совпадает с жесткостью кости, что со временем приводит к воспалению, расшатыванию и необходимости повторных операций.

Почему углепластик?

Углерод-углеродный композит обладает высокой износостойкостью и абсолютной биосовместимостью с костной тканью. Ранее ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель для бедренного компонента протеза — ножки, которая вставляется в кость. Однако для надежной работы протеза все его части должны быть выполнены из одного материала. Вторая ключевая деталь — чаша, которая крепится к тазовой кости и принимает на себя основную нагрузку при ходьбе и беге.

Исследователи построили компьютерную модель чаши из углерод-углеродного композита. Внутренняя структура материала неоднородна, поэтому разрушение в разных участках происходит по-разному. В модели нагрузку постепенно повышали от 0 до 400 килограммов, фиксируя повреждения внутри чаши.

Результаты моделирования

Анализ показал, что первые микротрещины возникают при нагрузке примерно 220 килограммов. При нагрузке 300 килограммов вероятность повреждения составила почти 10%, а при 400 килограммов — уже 38%. Однако самые опасные виды разрушений появляются только при давлении выше 650 килограммов, что характерно для спортсменов. Для среднестатистического человека нагрузки на сустав редко превышают 220 килограммов, поэтому в повседневной жизни чаша из композита не получает повреждений.

Исследование дает инженерам точные данные: при какой нагрузке, в каком месте чаши и с какой вероятностью появляются первые дефекты. Это позволит проектировать полноценные композитные имплантаты с предсказуемым сроком службы. Для пациентов это означает потенциальную возможность получить протез, который не расшатывается годами и не требует повторных операций.

Статья опубликована в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика».