A Permi Műszaki Egyetem szakemberei kifejlesztették a világ első kétszintű számítógépes modelljét, amely képes megjósolni, hogy a szénimplantátumokban lévő mikroszkopikus hibák hogyan befolyásolják azok szilárdságát és élettartamát. Erről az oktatási intézmény sajtószolgálata számolt be a Gazeta.ru-nak.
A kutatók szerint az évente növekvő számú – világszerte több millió – endoprotetikai műtét szükségessé teszi az új generációs anyagokra való átállást. A hagyományos fémprotézisek rendkívül merevek, „árnyékolják” a terhelést, és idővel a páciens saját csontszövetének pusztulásához vezetnek. Élettartamuk 10-15 évre korlátozódik, és a fémionok gyulladásos reakciókat okozhatnak.
A szén-szén kompozitok ígéretes alternatívának számítanak: biokompatibilisek, nem korrodálnak és a csonthoz közeli merevséggel rendelkeznek. Az anyag összetett mikroszerkezete miatt azonban rendkívül nehéz megjósolni a terhelés alatti viselkedését.
Már kisebb ütések is mikrorepedéseket okozhatnak a protézis belsejében, amelyek fokozatosan megváltoztatják a teljes szerkezet tulajdonságait. A meglévő számítási módszerek nem veszik figyelembe ezeket a folyamatokat.
„A fő probléma az, hogy a legtöbb modell az implantátumot tökéletesen homogén anyagként kezeli. A szénkompozitok esetében ez hibákhoz vezet, mivel szilárdságukat pontosan a mikroszkopikus károsodások határozzák meg” – magyarázta Egor Razumovsky, a PNIPU doktorandusza.
A tudósok által készített modell egyszerre két léptékben elemzi a protézist – az egyes szénkristályok szintjén és az endoprotetszis combcsonti részének anatómiailag pontos 3D-s geometriája szintjén. Az algoritmus képes meghatározni, hogy az anyag mely elemei hibásodnak meg először, milyen gyorsan terjed a károsodás, és mely területeken csökken kritikusan a szilárdság.
„Négy olyan területet azonosítottunk, ahol a kritikus károsodás felhalmozódik. Az anyag pszeudoplasztikusan viselkedik: nem törik azonnal, hanem a feszültségek újraelosztásával ellenáll a belső túlterheléseknek. Ez a megközelítés lehetővé teszi számunkra, hogy először lássuk az implantátum degradációjának valódi sorrendjét” – jegyezte meg Vjacseszlav Shavshukov, a PNIPU docense.
A létrehozott modell egybeesett a kísérleti adatokkal: a program által megjósolt törési zónák megfeleltek azoknak a területeknek, ahol a valós próbatestek a vizsgálatok során elvesztették a teherbíró képességüket. Ráadásul a fejlesztés több millió mikroszemcse egyidejű feldolgozására képes – nagyságrendekkel több, mint a hagyományos mikroszerkezeti modellek.
A szerzők szerint az eszköz lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy virtuálisan teszteljék az új implantátumokat, optimalizálják a tervezést és megjósolják az élettartamot különböző korú és testsúlyú páciensek esetében. A modell az orvostudományban és más iparágakban használt kompozit anyagok tanúsítási tesztjeinek alapjává is válhat, ahol a hosszú távú megbízhatóságot szélsőséges körülmények között is értékelni kell.
