Современные экзопротезы — искусственные конструкции, которые помогают людям с потерей конечностей вернуть подвижность и качество жизни. Они используются наружно и крепятся к культе.
Экзопротез для ампутации ниже колена состоит из трех частей: гильзы, опоры и стопы. Гильза — это чашечка, которая надевается на остаток ноги и передает нагрузку тела на протез. Ее можно сделать на 3D-принтере по точным замерам ноги человека. Эта часть подстраивается под форму ноги, а опору и стопу обычно берут стандартными.
Но есть проблема: на гильзу воздействует вес всего тела, и на ней могут появляться трещины. Поэтому важно сделать гильзу прочнее. Для этого можно добавить в конструкцию специальные укрепляющие элементы — например, стекловолокно, углеродные, кварцевые или другие волокна. Но укреплять весь протез дорого и не всегда нужно.
Ученые Пермского политехнического университета придумали другой способ, используя локальное усиление с помощью углеродных прутков. Углеродные волокна очень крепкие и легкие, поэтому помогают равномерно распределять нагрузку и предотвращают появление трещин. Для самой части протеза — гильзы — используют прочный и жесткий материал полиамид PA12 (также известный как нейлон), который часто применяют в 3D-печати в области биомедицины.
С помощью компьютерного моделирования ученые заранее изучают, как материал ведет себя под нагрузкой, где могут появиться трещины, и как лучше расположить углеродные прутки. Это помогает сделать протез максимально прочным и долговечным.
«Укрепляющие элементы принимают на себя основную нагрузку, делая протез гораздо прочнее. Но если расположить их слишком далеко друг от друга, они перестанут работать так эффективно. При этом важно минимизировать количество прутков, чтобы сэкономить материалы и не утяжелить конструкцию. Мы подобрали расстояние, которое обеспечивает наилучший баланс прочности и веса гильзы», — рассказала младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Дарья Долгих.
В результате исследований ученые сделали прототип гильзы с усилением: сначала создали половину толщины стенки протеза, затем укрепили ее углеродными прутками и покрыли слоями полимера до нужной толщины.
Такой метод обеспечивает прочное соединение материалов и ускоряет изготовление персонализированных протезов.
«Локальное укрепление эффективно усилило высоконагруженные зоны протеза. Приложение нагрузки, равной весу тела пациента весом 100 кг, показало, что наличие прутков снизило напряжение в конструкции на 16,2%. При этом ее вес увеличился лишь на 1 грамм», — отметил заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов.
