Цивилизация
Специалисты Пермского Политеха разработали первую в мире двухуровневую компьютерную модель, способную прогнозировать, как микроскопические дефекты внутри углеродных имплантатов влияют на их прочность и срок службы. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
По данным исследователей, ежегодно растущее число операций по эндопротезированию — миллионы в мире — требует перехода к материалам нового поколения. Традиционные металлические протезы имеют высокую жесткость, «экранируют» нагрузку и со временем приводят к разрушению собственной костной ткани пациента. Срок их службы ограничен 10–15 годами, а ионы металлов могут вызывать воспалительные реакции.
Угле-углеродные композиты считаются перспективной альтернативой: они биосовместимы, не корродируют и имеют жесткость, близкую к кости. Однако сложная микроструктура материала делает его поведение под нагрузкой крайне трудно предсказуемым. При даже незначительном ударе внутри протеза могут появляться микротрещины, которые постепенно меняют свойства всей конструкции. Существующие методы расчета не позволяют учитывать такие процессы.
«Ключевая проблема в том, что большинство моделей рассматривают имплантат как идеально однородный материал. Для углеродных композитов это приводит к ошибкам, так как их прочность определяется именно микроскопическими повреждениями», — объяснил аспирант ПНИПУ Егор Разумовский.
Созданная учеными модель анализирует протез сразу в двух масштабах — на уровне отдельных углеродных кристаллов и на уровне анатомически точной 3D-геометрии бедренной части эндопротеза. Алгоритм может определить, какие элементы материала разрушаются первыми, как быстро распространяется повреждение и в каких зонах прочность падает критически.
«Мы выявили четыре области, в которых происходит накопление критического повреждения. Материал ведет себя псевдопластически: он не ломается мгновенно, а выдерживает внутренние перегрузки, перераспределяя напряжения. Такой подход позволяет впервые увидеть реальную последовательность деградации имплантата», — отметил доцент кафедры ПНИПУ Вячеслав Шавшуков.
Созданная модель совпала с экспериментальными данными: зоны разрушений, предсказанные программой, соответствовали областям, где реальные образцы теряли несущую способность на испытаниях. Кроме того, разработка способна обрабатывать миллионы микрочастиц одновременно — на порядки больше, чем обычные модели микроструктуры.
По мнению авторов, инструмент позволит инженерам виртуально тестировать новые имплантаты, оптимизировать конструкцию и прогнозировать срок службы для пациентов разного возраста и массы тела. Модель может стать и основой для сертификационных испытаний композитных материалов, применяемых в медицине и других отраслях, где требуется оценка долговременной надежности в экстремальных условиях.
Ранее в России разработали природное лекарство от ожирения.
