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.
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 се��я 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.
