По данным Минтруда РФ ежегодно 1,5 млн граждан с инвалидностью обеспечивают техническими средствами реабилитации. Из них более 200 тыс. человек имеют протезы конечностей. Взрослым приходится носить их в течение долгого промежутка времени, при этом изменение веса или опухание конечности вызывает дискомфорт. А детям из-за постоянного роста приходится менять протезы каждые 6-18 месяцев. Сейчас практически не существует гильз (используют для соединения протеза с реальной частью тела), которые бы «откликались» на изменения конечности. Ученые ПНИПУ разработали особую конструкцию, которая способна со временем растягиваться, что позволяет взрослеющему ребенку носить протез дольше. Этот уникальный проект открывает новые перспективы и возможности для современной медицины.
Статья по результатам исследования опубликована в журнале «Polymers» №15 за 2023 год. Экспериментальная программа выполнена при поддержке программы Мегагрантов, контракт № 075-15-2021-578.
Разработка основана на использовании ауксетиков. В отличие от «обычных» материалов, такие структуры уменьшаются в размерах при сжимающих нагрузках и увеличиваются при растяжении. Их необычные свойства реализуются благодаря особому дизайну структуры. Она состоит из специально спроектированных элементарных ячеек и образует решетку, напоминающую измененные пчелиные соты. Ее можно воспроизвести с помощью аддитивных технологий.
Ауксетики обладают адаптационными свойствами, которые могут применяться при проектировании гильз протезов. Подобные структуры уже используют при разработке новых типов стентов — специальных конструкций для расширения и поддержания открытыми суженных или заблокированных артерий.
Ученые ПНИПУ разработали и построили трехмерные модели такого материала, а затем напечатали прототипы на 3D-принтере. Полученные образцы подвергали нагрузкам на растяжение, чтобы установить соответствуют ли свойства материала спроектированной модели. Другими словами — политехники определяли, можно ли заранее путем изменения параметров структуры «настроить» нужные характеристики для частей будущего протеза. Исследование показало, что трехмерные модели правильно имитируют механическое поведение образцов при деформации.
На следующем этапе ученые поместили в пустоты образцов наполнитель. Именно он позволяет контролировать отклик структуры гильзы протеза на внешние воздействия. Ученые ПНИПУ присваивали наполнителю различные свойства и изучали, как они влияют на поведение всей конструкции ауксетика. То есть на возможность материала, а в будущем и протеза, адаптироваться — пропорционально расширяться или уменьшаться.
— Существует необходимость фундаментального понимания, как наполнитель влияет на жесткость и прочность композитов с ауксетичной решеткой, а также как именно с помощью его параметров можно менять адаптационные характеристики, в том числе для гильз экзопротезов. Главное преимущество материала в том, что для каждого пациента и для каждого типа индивидуального биомедицинского изделия подбирается своя комбинация ауксетичной решетки и наполнителя с выбранными свойствами, — поделился кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаил Ташкинов.
Исследование ученых Пермского Политеха — это новый этап развития технологий протезирования и создания имплантов. Оно поможет в контроле отклика элементов экзопротезов, улучшении комфорта пациента, а также в усовершенствовании технологии создания детских протезов. Изучение ауксетичных свойств материалов значительно расширит сферу их применения в биомедицинской сфере.