ПНИПУ: разработана модель для прогнозирования «старения» углеродных имплантатов
фото: фрипик
Учёные Пермского Политехнического университета разработали компьютерную модель, способную прогнозировать влияние микроскопических дефектов углеродных имплантатов на их прочностные характеристики и долговечность. Эта разработка, представленная в пресс-релизе университета, открывает новые горизонты в области материаловедения и биомедицинской инженерии.
Эндопротезирование, как ключевой метод восстановления опорно-двигательного аппарата, продолжает набирать популярность, охватывая миллионы пациентов по всему миру. Однако существующие металлические имплантаты имеют ряд существенных недостатков, включая жёсткость, экранирование механической нагрузки, деструктивное воздействие на костную ткань, ограниченный срок службы (10-15 лет) и риск нежелательных воспалительных реакций вследствие высвобождения металлических ионов.
Углеродные композиты представляют собой перспективную альтернативу благодаря своей биосовместимости, высокой коррозионной стойкости и механическим характеристикам, близким к костной ткани. Однако их сложная микроструктура и гетерогенность затрудняют прогнозирование поведения этих материалов под нагрузкой. Даже минимальные механические воздействия могут привести к образованию микротрещин, что существенно влияет на эксплуатационные свойства имплантатов. Существующие модели, как правило, не учитывают эти микромеханические процессы.
Аспирант Пермского Политехнического университета Егор Разумовский отмечает, что большинство существующих моделей рассматривают имплантат как гомогенный материал, что приводит к значительным ошибкам при анализе углеродных композитов с их выраженной микроструктурной неоднородностью. Новая модель, разработанная учёными, позволяет проводить анализ на уровне углеродных кристаллов, что обеспечивает высокую точность в воспроизведении анатомической геометрии бедренной части.
Алгоритм модели определяет критические элементы конструкции, подверженные наибольшему риску разрушения, скорость распространения повреждений и зоны с критическими значениями прочности. Доцент Вячеслав Шавшуков подчёркивает, что модель выявила четыре ключевые зоны накопления критических повреждений, демонстрируя пластическое поведение материала, эффективно перераспределяющее внутренние напряжения. Это позволяет наблюдать реальную последовательность процессов деградации имплантата в условиях эксплуатации.
Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает высокую точность и надёжность предложенного подхода. Области, определённые как наиболее уязвимые, совпадают с зонами потери несущей способности образцов в ходе испытаний. Алгоритм способен обрабатывать большое количество микрочастиц одновременно, что выгодно отличает его от традиционных методов анализа.
Инструмент предоставляет инженерам возможность виртуального тестирования новых имплантатов, оптимизации их конструкции и прогнозирования срока службы с учётом индивидуальных характеристик пациентов, таких как возраст, вес и физиологические особенности. Модель также может быть использована для проведения сертификационных испытаний композитных материалов в медицинской и других отраслях, где надёжность в экстремальных условиях имеет первостепенное значение.
Таким образом, разработанная компьютерная модель представляет собой значительный шаг вперёд в области материаловедения и биомедицинской инженерии, обеспечивая более точное прогнозирование поведения углеродных имплантатов и повышая их надёжность и долговечность.
