Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) создали метод производства экзопротезов на основе 3D-печати и углеродных волокон. Разработка позволит создавать для людей, потерявших конечность, долговечные и качественные протезы, которые учитывают все индивидуальные особенности тела, сообщили ТАСС.
«Ожидается, что полученные результаты позволят проектировать конструкции экзопротезов, сочетающие персонализированную геометрию, достигнутую благодаря возможностям 3D-печати, и улучшенные механические свойства благодаря использованию непрерывных волокон», — приводятся слова доцента кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, ведущего научного сотрудника научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаила Ташкинова. Он также отметил, что разработка важна для эффективной реабилитации пациентов с повреждением и потерей конечностей.
Распределение углеродных волокон на цилиндрической гильзе экзопротезовИзображение: Springer Nature
По словам исследователя, экзопротезы представляют собой внешнюю конструкцию, которая создает аналог потерянной конечности. Соединение между телом и протезом обеспечивает ортопедическая гильза. При ее проектировании необходимо учитывать геометрию оставшейся конечности и взаимодействие протеза с мягкими тканями.
Ученые Пермского Политеха разработали модель такой гильзы экзопротеза, изготовленного методом 3D-печати из полимерных материалов, укрепленных углеродными волокнами.
Исследователи создали 16 математических моделей протеза, которые позволили изучить его механическое взаимодействие с мышечной тканью. Рассматривались модели с различным расположением углеродных волокон и различными полимерами. Так ученые определяли наилучшее сочетание свойств материалов, а также находили оптимальное расстояние между углеродными волокнами.
Ученые смоделировали мягкие ткани человека и исследовали их взаимодействие с протезом в каждой модели. В итоге удалось установить, что при низкой упругости полимерного материала армирование углеродными волокнами играет важную роль в распределении напряжения в гильзе протеза. При этом наилучшие прочностные характеристики достигаются при равномерном распределении углеродных волокон.
Проектирование и моделирование гильзы протеза было выполнено в рамках исследований по программе мегагрантов, а исследование позиционирования углеродных волокон — при поддержке Российского научного фонда.
Статья о результатах исследования опубликована в журнале Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design.