8 812 123 45 67
Проектирование новых имплантатов: крепче ли кость стали?

Можно с уверенностью утверждать, что природа старейший и лучший в мире инженер. На протяжении тысячелетий она совершенствовала и оптимизировала структуру костей так, чтобы они становились легче и крепче. В результате люди стали учиться на примерах природы, и это направление даже получило название - биомимикрия.

Однако, некоторым может показаться неубедительным утверждение, что человеческие кости во многом превосходят материалы, которые используются для создания различных изделий.

Вы можете спросить, сильнее ли кость стали? Крепче ли кость бетона? В зависимости от того, о чем конкретно идет речь.

Например, эффективный модуль упругости кортикальной кости варьируется в диапазоне от  14 до 28 ГПа, что примерно соответствует модулю упругости бетона 8 – 36 ГПа, но прочность кости варьируется в диапазоне 100 – 200 МПа, что в разы превышает прочность на сжатие бетона 5 – 40 МПа.

Если рассмотреть нержавеющую сталь, то ее прочность на сжатие аналогична эффективному пределу прочности на сжатие кости, но при этом за счёт своей пористой структуры кость в три раза легче.

Основной особенностью кости является то, что её структура непостоянна, потому что она является частью живого организма. Кости адаптируются к образу жизни человека, становясь прочнее или ослабевая в зависимости от окружающей среды, возраста и здоровья. В НАСА установили, что кости астронавтов ослабевали в результате длительного пребывания астронавтов в условиях микрогравитации.

Так что же происходит, когда человеку приходится вмешаться в работу кости? Когда мы пытаемся заменить её работу, гений природы становится еще более очевидным.

Почему костный материал такой крепкий?

Несмотря на то, что импланты необходимы многим людям, их эффективность на большом промежутке времени не сопоставима со средней долговечностью кости. Например, срок службы коленного сустава может составлять от 60 до 80 лет. А вот имплантат коленного сустава в лучшем случае прослужит четверть от этого времени, поскольку имплантат, в отличие от кости, не обладает способностью к регенерации.

Инженеры должны проектировать имплантаты таким образом, чтобы они выдерживали большие нагрузки. В процессе ежедневной активности, например ходьбы или прыжков, скелет человека подвергается нагрузкам, превышающим вес тела в 4 – 20 раз. Это могут быть сжимающие, растягивающие, изгибные или крутящие нагрузки.

Как кость выдерживает эти нагрузки? За счет своей композитной микроструктуры. Кость состоит из коллагеновых волокон, жестко закрепленных плотным наполнителем и окружающими минералами. Также в костях присутствуют кровеносные сосуды, живые клетки, белки и вода.

Аналогичным образом искусственно созданные композиты приобрели свою значимость в проектировании и изготовлении конструкций. Однако, инженерам очень сложно повторить способность кости адаптироваться и менять свою структуру в зависимости от разных условий. Они используют и подбор материала из существующих, и разработку новых, совершенствуя имплантат до тех пор, пока он не будет соответствовать ожиданиям и требованиям.

Инженеры продолжают поиск заменителя костной ткани

Поскольку инженеры не в состоянии воспроизвести весь функционал кости, каждое медицинское изделие проектируется под конкретный случай использования.

Например, если пациент нуждается в трансплантации костной ткани, то инженеры сосредотачиваются на соответствии химии и микроструктуре исходной костной ткани пациента.

В данном случае хорошим вариантом будет использование фосфата кальция, так как он стимулирует рост костей, способствует заживлению и приживаемости привитого материала.

Имплантация суставов имеет свои сложности. Перед инженерами стоит задача найти такой материал, свойства которого будут соответствовать свойствам окружающей кости. Эти свойства материала будут варьироваться в зависимости от возраста, пола, веса, образа жизни пациента и других факторов. Инженерам также необходимо будет обеспечить, чтобы материал обладал необходимыми антикоррозионными и биосовместимыми свойствами.

В настоящее время большую популярность в процессе поиска и создания оптимальных материалов для изготовления имплантатов набирают аддитивные технологии, которые позволяют создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, используя которые можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Периодическая структура таких материалов подходит для изготовления эндопротезов, а пористая структура, в свою очередь, обеспечивает врастание костной ткани в эндопротез. Примером применения аддитивных технологий в проектировании эндопротеза является работа инженеров АО «ЦИФРА» в составе научной группы специалистов ИММиТ СПБПУ

Также подобрать материал, подходящий пациенту и его состоянию здоровья позволяет использование специального инструмента для выбора материала. Используя специальное ПО, инженеры могут помочь в разработке новых материалов, характеристики которых будут превосходить характеристики тех материалов, которые представлены на рынке в настоящее время. Узнать об этом подробнее можно на сайте разработчика специализированного ПО ANSYS Granta: Material Intelligence with Ansys Granta.

Данная статья является авторским переводом статьи из блога Ansys: https://www.ansys.com/blog/is-bone-material-stronger-than-steel.

вернуться к списку новостей
Рассчитать стоимость онлайн
Сообщите основную информацию о вашей задаче, ответьте на несколько вопросов и мгновенно получите оценку трудоемкости актуальной для вас инженерной задачи.
Узнать цену
Связанные новости
17 октября 2022

Эксперты АО «ЦИФРА» выступили на нефтегазовой конференции АО «ТомскНИПИнефть»

Специалисты АО «ЦИФРА» приняли участие в V научно-технической конференции «Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений», организованной АО «ТомскНИПИнефть». Событие состоялось 20-21 сентября 2022 года и стало местом встречи учёных и практиков, проектировщиков и представителей служб эксплуатации – специалистов, представляющих наиболее актуальные разработки в сфере обустройства, подготовки нефти и газа.
Новости
12 октября 2022

Отзывы стажеров 2021-2022

Продолжаем публиковать отзывы молодых специалистов, прошедших полный курс стажировки и стали сотрудниками компании.
Новости
Связанные публикации в блоге
15 июня 2022

Расчет прочности внешнего корпуса насоса по ASME BPVC VIII

На сегодняшний день крупнейшими производителями сосудов и аппаратов, работающих под давлением, является Китай, Германия, Канада, Великобритания, Россия и другие. Оборудование, изготавливаемое этими странами, поставляется и применяется по всему миру. При этом в каждой эксплуатирующей стране разработана своя нормативно-техническая база. Проблема заключается в том, что все нормы весьма разнородны по своему статусу и не образуют единой системы.
Блог
21 апреля 2022

Ткань против пули. Математическое моделирование испытаний бронеткани согласно ГОСТ 34286-2017

Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Блог
Связанные вебинары
23 июля 2020

Применение компьютерного моделирования при ремонте и модернизации судов

В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
Вебинары
3 июня 2020

Моделирование и расчёт композитных конструкций при динамическом нагружении

АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.
Вебинары
Сделайте заказ
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш специалист свяжется с Вами в ближайшее время!