Учёные Пермского Политеха разработали способ создания прочных и лёгких экзопротезов с помощью 3D-печати и укрепления углеродным волокном. Новый метод позволяет значительно повысить долговечность и надёжность изделий, обеспечивая их комфорт и индивидуальную адаптацию под анатомию пациента, сообщили в пресс-службе вуза.
Современные технологии открывают большие возможности для персонализированной ортопедии, позволяя оптимизировать параметры протезов под анатомические особенности каждого человека. Основные проблемы 3D-печатных экзопротезов, в частности для транстибиальных ампутаций (ниже колена), заключаются в неравномерной нагрузке на конструкцию, приводящей к её разрушению.
Экзопротез — это устройство, замещающее утраченную конечность и частично восстанавливающее её функции. В отличие от имплантатов, которые вживляются внутрь организма, оно используется наружно и крепится к культе (остатку части тела после удаления).
Экзопротез при транстибиальной ампутации (на уровне ниже колена) состоит из трёх основных компонентов: гильзы, опоры и стопы. Гильза представляет собой чашеобразную конструкцию, которая надевается на конечность и передаёт механическую нагрузку от тела на протез. Её можно спроектировать и напечатать на 3D-принтере на основе данных комплексного сканирования конечности человека. Это единственная деталь, подстраивающаяся под форму культи, остальные — опора и стопа — могут быть выполнены на основе стандартных изделий.
Однако остаётся проблема повышения прочности гильзы, так как на неё воздействует нагрузка всего тела человека, что приводит к образованию и распространению трещин на её поверхности. Улучшить механические характеристики возможно за счёт добавления в структуру упрочняющих элементов, таких как стекловолокно, углеродные, кварцевые, силикатные волокна и другие. При этом усиление конструкции целиком нецелесообразно из-за значительных затрат на материал.
Учёные Пермского Политеха предложили новый способ повысить надёжность экзопротезов отдельными прутками, состоящими из углеродных волокон и полимера и внедрёнными в критически нагруженные участки протеза. Углеродное волокно, известное своей высокой прочностью и лёгкостью, позволяет распределить нагрузку, предотвращая образование трещин и повышая устойчивость конструкции.
В качестве материала гильзы политехники использовали полиамид PA12 (нейлон) — полимер с высокими прочностными и жёсткостными характеристиками, который широко применяют в 3D-печати в области биомедицины. В качестве армирующего материала использовали углеродные прутки из 3000 непрерывных волокон и полимера.Этапы изготовления прототипа гильзы: (а) тонкостенный цилиндр из PA12, напечатанный на 3D-принтере; (б) нанесение углеродных стержней по заданным траекториям; (в) прототип с нанесёнными углеродными стержнями; (г) герметизация стержней и восстановление толщины стенок дополнительными слоями PA12. Источник: Dolgikh et al / Polymers, 2025
Компьютерное моделирование даёт возможность заранее изучить свойства материала и детально отследить его изменения и деформации. Так, воспроизводя процесс нагружения образцов, политехники смогли выявить зоны, склонные к появлению трещин под неравномерной нагрузкой. Далее по 3D-модели гильзы определили, какое расстояние между углеродными прутками наиболее оптимально и обеспечивает необходимую прочность детали.
«Укрепляющие элементы принимают на себя основную нагрузку, делая протез гораздо прочнее. Но если расположить их слишком далеко друг от друга, они перестанут работать так эффективно. При этом важно минимизировать количество прутков, чтобы сэкономить материалы и не утяжелить конструкцию. Мы подобрали расстояние, которое обеспечивает наилучший баланс прочности и веса гильзы», — объяснила Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
На основе полученных результатов учёные изготовили прототип гильзы с локальным усилением. Для этого с помощью роботизированной установки сначала создали половину предполагаемой толщины стенки протеза. Далее проводили укрепление прототипа отдельными углеродными прутками по специально разработанной траектории. После закрывали их дополнительными слоями полимера, а деталь дорабатывали до восстановления требуемой толщины стенки гильзы.
Такой подход позволяет качественно интегрировать углеродные прутки в процессе печати, обеспечивая их прочное сцепление с полимерным основанием, а также сократить время изготовления персонализированных протезов.
«Локальное укрепление эффективно усилило высоконагруженные зоны протеза. Приложение нагрузки, равной весу тела пациента весом 100 кг, показало, что наличие прутков снизило напряжение в конструкции на 16,2%. При этом её вес увеличился лишь на 1 грамм», — поделился Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Технология создания лёгких и прочных протезов учёных Пермского Политеха открывает новые возможности для персонализированной ортопедии. Предложенная методология сочетает преимущества аддитивного производства и композитных материалов, что повышает долговечность и надёжность изделий, а также учитывает индивидуальные потребности пациентов.
Результаты работы опубликованы в журнале Polymers, 2025. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Источник новости: habr.com
