Ученые создали 16 математических моделей, чтобы определить наилучшие характеристики материалов и их оптимальное распределение

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали метод производства экзопротезов на основе 3D-печати и углеродных волокон. Разработка позволит создавать для людей, потерявших конечность, долговечные и качественные протезы, которые учитывают все индивидуальные особенности тела, рассказали ТАСС в университете. Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design.

"Ожидается, что полученные результаты позволят проектировать конструкции экзопротезов, сочетающие персонализированную геометрию, достигнутую благодаря возможностям 3D-печати, и улучшенные механические свойства благодаря использованию непрерывных волокон", – приводятся слова доцента кафедры "Динамика и прочность машин" ПНИПУ, ведущего научного сотрудника научно-исследовательской лаборатории "Механика биосовместимых материалов и устройств" Михаила Ташкинова. Он также отметил, что разработка важна для эффективной реабилитации пациентов с повреждением и потерей конечностей.

По словам исследователя, экзопротезы представляют собой внешнюю конструкцию, которая создает аналог потерянной конечности. Соединение между телом и протезом обеспечивает ортопедическая гильза. При ее проектировании необходимо учитывать геометрию оставшейся конечности и взаимодействие протеза с мягкими тканями. Ученые Пермского Политеха разработали модель такой гильзы экзопротеза, изготовленного методом 3D-печати из полимерных материалов, укрепленных углеродными волокнами.

Исследователи создали 16 математических моделей протеза, которые позволили изучить его механическое взаимодействие с мышечной тканью. Рассматривались модели с различным расположением углеродных волокон и различными полимерами. Так ученые определяли наилучшее сочетание свойств материалов, а также находили оптимальное расстояния между углеродными волокнами.

По словам Ташкинова, особый интерес для ученых представляло изучение взаимодействия между протезом и мышечной тканью. Поэтому они смоделировали мягкие ткани человека и исследовали их взаимодействие с протезом в каждой модели. В итоге было установлено, что при низкой упругости полимерного материала армирование углеродными волокнами играет важную роль в распределении напряжения в гильзе протеза. При этом наилучшие прочностные характеристики достигаются при равномерном распределении углеродных волокон.

Проектирование и моделирование гильзы протеза было выполнено в рамках исследований по программе мегагрантов, а исследование позиционирования углеродных волокон выполнено при поддержке Российского научного фонда.

О мегагрантах
Мегагранты – программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Она стартовала в 2010 году, ее цель – создание в российских вузах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых. В рамках программы в ПНИПУ была открыта научно-исследовательская лаборатория "Механика биосовместимых материалов и устройств". Федеральная поддержка до конца 2023 года составляет 90 млн рублей.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/18617897