Ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель, которая позволяет объяснить, как со временем разрушаются медицинские имплантаты из угле-углеродных композитов. Работа посвящена одной из ключевых проблем эндопротезирования — прогнозу реальной долговечности протезов.
Эндопротезы давно стали стандартом лечения суставов. Миллионы людей по всему миру живут с искусственными суставами, а объем рынка таких операций в 2024 году достиг 7,9 млрд долларов. Однако традиционные металлические имплантаты далеки от идеала. Они заметно жестче кости, из-за чего нагрузка перераспределяется неправильно — кость теряет плотность, протез постепенно расшатывается. Добавляются риски воспалений и аллергических реакций, а срок службы часто ограничивается 10−15 годами.
Альтернативой становятся угле-углеродные композиты. По жесткости они близки к костной ткани, не экранируют нагрузку, не корродируют и не мешают МРТ и КТ-диагностике. Но у этих материалов есть своя особенность — сложная неоднородная структура. Композит состоит из множества микроскопических кристаллов углерода, расположенных хаотично. Под действием нагрузки в них возникают микроповреждения, которые со временем меняют свойства всей конструкции.
Большинство расчетных методов не учитывают эти процессы. Обычно материал рассматривают как однородный и «идеальный», что дает лишь грубую оценку прочности. Для угле-углеродных композитов такой подход критичен: их поведение в эксплуатации определяется именно тем, как накапливаются микродефекты.
Разработанная в ПНИПУ модель работает сразу на двух уровнях. На микроуровне алгоритм рассчитывает деформации отдельных кристаллов и определяет, какие из них разрушены, какие повреждены частично, а какие остаются целыми. На макроуровне моделируется работа всей бедренной части эндопротеза — элемента, который испытывает максимальные нагрузки при ходьбе и других движениях. Для этого используется детальная трехмерная модель кости и имплантата с условиями, близкими к реальным.
Расчет идет поэтапно и имитирует постепенное накопление повреждений. Если в каком-то участке появляются дефекты, свойства материала в этой зоне ухудшаются, и следующий шаг моделирования выполняется уже с учетом этих изменений. В результате удалось показать, что композит не теряет прочность мгновенно. Ослабление происходит последовательно в нескольких зонах, а жесткость снижается ступенчато.
Модель хорошо согласуется с экспериментальными данными и при этом оперирует миллионами элементов, а не сотнями, как в прежних расчетах. Такой подход позволяет заранее выявлять уязвимые места, точнее прогнозировать срок службы имплантатов и дорабатывать их конструкцию еще на этапе проектирования. В перспективе это может снизить число повторных операций и повысить надежность эндопротезов для пациентов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученые наделили бионическую руку собственным разумом.
