Современные металлические имплантаты, применяемые для замены суставов, дают возможность пациентам вновь вести активный образ жизни, однако их основной недостаток заключается в избыточной жесткости.
С течением времени это может привести к разрушению окружающих тканей, расшатыванию протеза и необходимости повторного хирургического вмешательства. Ученые из Пермского Политеха разработали решение: они создали модель, которая впервые достоверно описывает, как кость интегрируется в имплантат и как это влияет на его прочность.
По данным специалистов, примерно 200 тысяч человек в России ежегодно нуждаются в замене тазобедренного сустава. Поэтому важна не только сама операция, но и срок службы имплантатов. Проблема заключается в том, что современные металлические конструкции в 4-5 раз жестче натуральной кости. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки, и ткани вокруг протеза постепенно разрушаются.
Перспективной альтернативой являются углерод-углеродные композиты — материалы, которые объединяют высокую прочность с упругостью, близкой к кости. Под нагрузкой в них образуются микротрещины и поры, через которые может прорастать костная ткань. Это позволяет имплантату фактически «срастаться» с организмом.
Тем не менее, до настоящего времени инженеры не могли точно предсказать, как этот процесс влияет на конечную прочность конструкции. Считалось, что кость равномерно заполняет все микротрещины, но это упрощение давало завышенные оценки срока службы протезов.
Исследования ПНИПУ показали, что на самом деле костная ткань распределяется гораздо сложнее. Она не заполняет все микротрещины, а её рост ограничен как структурой материала, так и биологическими факторами. Для встраивания необходима связанная сеть пор, расположенных достаточно близко друг к другу. При этом клетки не могут бесконечно углубляться внутрь материала: с удалением от поверхности им не хватает кислорода и питательных веществ.
На основе этих факторов ученые разработали математическую модель, которая учитывает реальные нагрузки на сустав — при ходьбе, беге или подъеме по лестнице. Вместо попытки предсказать точное расположение трещин, она оценивает вероятность формирования структуры пор, подходящей для роста ткани.
Для проверки модели исследователи изучили как новые образцы композитов, так и реальные имплантаты, извлеченные у пациентов, а также архивные компьютерные томограммы.
«Достоверность модели определяется тем, что её расчеты основываются на реальных данных. Мы опирались на томограммы пациентов в первые 90 дней после операции, когда формируется новая костная ткань», — пояснил аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ Егор Разумовский.
По его словам, новая модель максимально приближена к реальным биологическим процессам и позволяет получать более точные прогнозы прочности и долговечности имплантатов.
Разработка может стать основой для создания более надежных протезов и снижения числа повторных операций. В перспективе её можно использовать и для персонализированных расчетов, учитывающих особенности нагрузки у конкретного пациента.
Фото: hi-tech.mail.ru