Современные металлические имплантаты для замены суставов позволяют пациентам возвращаться к активной жизни, однако их главный недостаток — чрезмерная жесткость. Со временем это приводит к разрушению окружающей ткани, расшатыванию протеза и необходимости повторной операции. Ученые Пермского Политеха предложили решение: они разработали модель, которая впервые реалистично описывает, как кость врастает в имплантат и как это влияет на его прочность. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
По оценкам специалистов, около 200 тысяч человек в России ежегодно нуждаются в замене тазобедренного сустава. Поэтому важна не только сама операция, но и долговечность имплантатов. Проблема в том, что используемые сегодня металлические конструкции в 4–5 раз жестче натуральной кости. Из-за этого нагрузка перераспределяется неравномерно, и ткани вокруг протеза постепенно разрушаются.
Перспективной альтернативой считаются углерод-углеродные композиты — материалы, сочетающие высокую прочность с упругостью, близкой к кости. Под нагрузкой в них формируются микротрещины и поры, в которые может прорастать костная ткань. Это позволяет имплантату фактически «срастаться» с организмом.
Однако до сих пор инженеры не могли точно предсказать, как этот процесс влияет на итоговую прочность конструкции. Считалось, что кость равномерно заполняет все пустоты, но это упрощение давало завышенные оценки срока службы протезов.
Исследователи ПНИПУ показали, что в реальности костная ткань распределяется значительно сложнее. Она не заполняет все микротрещины, а ее рост ограничен как структурой материала, так и биологическими факторами. Для врастания необходима связанная сеть пор, расположенных достаточно близко друг к другу. При этом клетки не могут бесконечно углубляться внутрь материала: по мере удаления от поверхности им не хватает кислорода и питательных веществ.
На основе этих факторов ученые создали 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 учЕные изучили как новые образцы композитов, так и реальные имплантаты, извлечённые у пациентов, а также архивные компьютерные томограммы.
«Достоверность модели определяется тем, что ее расчеты учитывают реальные данные. 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 ее можно использовать и для персонализированных расчетов, учитывающих особенности нагрузки у конкретного пациента.
Ранее россиянам рассказали о причинах и ранних признаках рака желудка.
