Эндопротезирование тазобедренного сустава является эффективным способом лечения опорно-двигательного аппарата, когда консервативное лечение перестает давать положительные результаты и не может выполнять часть основных функций. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава заключается в замене подвижного соединения бедренной и тазовой кости аналогом из углерод-углеродного композиционного материала, который является биоинертным. Так как тазобедренный сустав является одним из самых нагруженных подвижных соединений в теле человека, то к требованиям биологической совместимости добавляется и обеспечение прочности. Это делается для того чтобы у пациента не было необходимости менять протез в течении жизни. Ученые Пермского Политеха провели испытания ранее разработанного тазобедренного сустава из углерод-углеродного композиционного материала на разрывной машине, а с помощью моделирования наметили пути повышения его прочностных характеристик.
Исследование опубликовано в высокорейтинговом журнале «PNRPU Mechanics Bulletin». Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2020-0027).
Обычно, имплантаты изготавливаются из металлических материалов, однако они имеют более высокие упругие и прочностные характеристики, что приводит к расшатыванию протеза в силу большой разницы свойств костной ткани и имплантаты. Композиционный материал имеет близкие упругие характеристики к костной ткани, что исключает возможное расшатывание. Чтобы исследовать его прочностные характеристики политехники провели эксперимент. В разрывную машину вертикально поместили образец протеза, после чего его дважды сжимали до момента поломки. Визуальный осмотр места разрушения выявил, что они произошли из-за межволоконного сдвига, сами волокна, которые состоят из углерод-углеродного композита продолжали сохранять несущую способность.
— Наиболее слабым местом у эндопротеза оказался переход от шейки к посадочному конусу. Для увеличения запаса прочности при межслойном сдвиге необходимо увеличить радиус перехода от шейки эндопротеза к посадочному конусу. Для этого была построена реалистичная матмодель бедренной кости, — поделился аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Егор Разумовский.
Реальная форма тазобедренной кости весьма сложна для моделирования, поэтому модель была получена при помощи компьютерной томографии. Модель полностью отражает ее анатомическую форму.
— Моделирование показало, что эндопротез имеет почти трехкратный запас прочности при однократном нагружении. В дальнейшем будут исследованы возможные повреждения при перегрузках, их влияние на работоспособность эндопротеза, способы блокировки роста повреждений, — сообщил доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций Вячеслав Шавшуков.
По словам ученых, распределения напряжений в массиве костной ткани свидетельствуют об удачной конструкции эндопротеза.
Изобретение признано приоритетным для реализации проекта в городе Нытва, где будет организовано производство изделий из композиционных материалов в медицинских целях.