Совместная разработка ученых ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо поможет проектировать эндопротезы под конкретного человека

В современной медицине практически любой сустав в организме человека можно заменить искусственным. Эндопротез, например, коленного или тазобедренного сустава полностью повторяет форму природного элемента и выполняет все его функции.

Уже несколько лет в Пермском Политехе проводятся комплексные исследования для создания качественных отечественных протезов мирового уровня. Разрабатываются новые материалы и технологии для проверки их характеристик. Но повысить свойства имплантата можно также меняя его внутреннюю структуру, чтобы восстановление человека проходило быстрее, а сам протез служил как можно дольше. Совместная коллаборация ученых из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо позволила разработать совершенно новый метод проектирования тазобедренных эндопротезов для их производства. Исследование позволяет создавать качественные, долговечные и легкие конструкции под запросы конкретного пациента.

Статья с результатами опубликована в международном журнале «Numerical Methods in Biomedical Engineering» № 3, 2024 год.

Замена тазобедренного сустава на протез – это 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 и 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.

Сейчас 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. Традиционные конструкции этого не позволяют.

Ученые из ПНИПУ, КФУ и Университета Лафборо разработали модель, которая проектирует пористый протез тазобедренного сустава со свойствами для конкретного человека. Модель позволяет определить нагруженные и малонагруженные места в смоделированном эндопротезе. Его конструкция описывается элементарными ячейками, которые непосредственно взаимодействуют с тканями организма. При невысоких значениях напряжений ячейка является малонагруженной, считается 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, – поделился доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» 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.

С помощью данной модели научный коллектив провел численные эксперименты для двух видов 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, – отметил научный сотрудник Казанского Федерального Университета Павел Большаков.