Съвременните метални импланти за ставно заместване позволяват на пациентите да се върнат към активен живот, но основният им недостатък е прекомерната им твърдост. С течение на времето това води до разрушаване на околната тъкан, разхлабване на протезата и необходимост от повторна операция. Учени от Пермската политехника са предложили решение: те са разработили модел, който за първи път описва реалистично как костта враства в импланта и как това се отразява на здравината му. Това съобщиха за Газета.ру от пресслужбата на учебното заведение.
Според експертите около 200 хил. души в Русия годишно се нуждаят от смяна на тазобедрена става. Затова е важна не само самата операция, но и дълготрайността на имплантите. Проблемът е, че използваните днес метални конструкции са 4-5 пъти по-твърди от естествената кост. Поради това натоварването се разпределя неравномерно и тъканите около протезата постепенно се разрушават.
Композитите въглерод-въглерод се считат за обещаваща алтернатива – материали, които съчетават висока якост с еластичност, близка до тази на костта. При натоварване в тях се образуват микропукнатини и пори, в които може да прорасне костна тъкан. Това позволява на имплантата практически да се „слее“ с тялото.
Досега обаче инженерите не са могли да предвидят с точност как този процес се отразява на крайната здравина на конструкцията. Приемаше се, че костта запълва равномерно всички кухини, но това опростяване даваше завишени оценки за живота на протезата.
Изследователите от PNIPU показаха, че в действителност разпределението на костната тъкан е много по-сложно. Тя не запълва всички микропукнатини и растежът ѝ е ограничен както от структурата на материала, така и от биологични фактори. За израстването е необходима свързана мрежа от пори, разположени достатъчно близо една до друга. Клетките обаче не могат да навлизат безкрайно в материала: с отдалечаването си от повърхността им липсват кислород и хранителни вещества.
Въз основа на тези фактори учените създават математически модел, който отчита действителните натоварвания, оказвани върху ставата – при ходене, бягане или изкачване на стълби. Вместо да се опитва да предвиди точното местоположение на пукнатините, той оценява вероятността за наличие на пореста структура, подходяща за растежа на тъканите.
За да валидират модела, учените изследват както нови композитни образци и реални импланти, извлечени от пациенти, така и архивни компютърни томографи.
„Валидността на модела се определя от факта, че при изчисленията му се вземат предвид реални данни. Разчитахме на томограми на пациенти през първите 90 дни след операцията, когато се формира нова костна тъкан“ – обясни Егор Разумовски, аспирант от катедра „Механика на композитните материали и конструкции“ на ПНИИПУ.
Според него новият модел е максимално близък до реалните биологични процеси и позволява да се получат по-точни прогнози за здравината и издръжливостта на имплантите.
Разработката би могла да се превърне в основа за създаване на по-надеждни протези и намаляване на броя на повторните операции. В бъдеще тя може да се използва и за персонализирани изчисления, които отчитат характеристиките на натоварване на конкретен пациент.
