Существующие методы расчета прочности имплантатов часто строятся на допущении, что у них однородная и идеальная структура. Такой подход дает лишь примерную оценку того, как конструкция будет вести себя под нагрузкой. Однако для сложных материалов, как угле-углеродные композиты, это допущение становится критической ошибкой. Их прочность в долгосрочной перспективе зависит именно от микроскопических процессов внутри материала: от того, как зарождаются и развиваются мельчайшие дефекты между отдельными кристаллами.
В основе разработки ученых Пермского Политеха лежит двухуровневый подход, который анализирует имплантат одновременно на уровне микроструктуры материала и на уровне целой конструкции. Это позволяет увидеть, как невидимые повреждения влияют на прочность всей детали.
Для первого, микроскопического уровня, ученые разработали программный алгоритм, который рассчитывает, как деформируется каждый кристаллик в составе углеродного композита. Второй уровень моделирует всю бедренную часть эндопротеза как готовую деталь в окружении кости. Для реализации макроскопического уровня ученые создали детальную 3D-модель в инженерном программном комплексе.
«Вся работа происходит в виде циклического процесса, который имитирует постепенное накопление повреждений в имплантате. На каждом шаге программа рассчитывает, как деформировалась вся система, и эти данные передаются в микро-модель. Далее она анализирует, привели ли такие нагрузки к повреждению кристаллов внутри материала или нет. Если деформации обнаруживаются, программа “ухудшает” свойства композита именно в соответствующей зоне обнаружения дефектов. После этого новый расчет выполняется уже для слегка “подпорченного” имплантата. Такой цикл повторяется много раз, пока напряжение в модели не достигнет предела прочности», — прокомментировал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Практическим результатом работы является детальная картина постепенного разрушения имплантата. Моделирование выявило четыре области в бедренном компоненте, где произошло критическое накопление повреждений. Это означает, что протез теряет прочность не равномерно и не мгновенно, а через последовательное ослабление нескольких зон.
Важно отметить, что проведенное исследование является уникальным в своей области. В мировой научной литературе отсутствуют прямые аналоги разработки, где так же глубоко и системно изучается накопление повреждений в эндопротезах с помощью моделирования. Поэтому основным способом проверки стало сопоставление прогнозов модели с реальными экспериментальными данными, полученными в рамках предыдущих исследований.
Главным преимуществом модели является также ее вычислительная мощность. Обычное моделирование микроструктуры настолько сложно для компьютера, что позволяет анализировать лишь несколько сотен или тысяч частиц. Разработанная программа работает с выборкой в миллионы элементов, что делает статистику микроразрушений более полной и достоверной.
«Итоговый характер деформирования, предсказанный расчетами — а именно последовательное накопление повреждений, — совпадает с поведением образцов углерод-углеродного композита при проводимых ранее испытаниях. Это показывает, что разработка корректно описывает физику процесса разрушения на всех масштабах — от микроскопических трещин до макроскопической потери жёсткости всей конструкции. В дальнейшем такой инструмент инженеры и медики смогут использовать для виртуального тестирования новых конструкций имплантатов, прогнозируя их срок службы и выявляя слабые места еще на этапе проектирования», — отметил Вячеслав Шавшуков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Созданную модель можно использовать не только для оптимизации создания протезов, что значительно сократит время и стоимость разработки, а также для углубленной оценки безопасности и сертификации, основанной на понимании долговременного поведения композитов. Такой двухуровневый подход может послужить методической основой для анализа разрушения других перспективных материалов в экстремальных условиях, что в конечном итоге повышает безопасность пациентов и стандарты медицинских технологий.
