ПНИПУ: создана модель предсказания износа углеродных эндопротезов

В Пермском Политехе создали двухуровневую численную модель, которая позволяет заранее оценить, как будет стареть и изнашиваться углеродный эндопротез в организме пациента. Исследование опубликовано в журнале «Известия Юго‑Западного государственного университета» и фактически закрывает важный пробел: до сих пор врачи и инженеры не могли надёжно связать микроскопические дефекты внутри угле‑углеродного композита с реальной потерей прочности всей конструкции.

Масштаб проблемы очевиден: миллионы людей по всему миру живут с искусственными суставами, а мировой рынок эндопротезирования, оценивавшийся в 7,9 млрд долларов в 2024 году, к 2034‑му может вырасти до 11,4 млрд. При этом традиционные металлические имплантаты с течением времени разрушают кость из‑за избыточной жёсткости и нередко требуют ревизионных операций. Поэтому внимание смещается к материалам с механическими свойствами, близкими к кости, — и тут угле‑углеродные композиты выглядят одним из самых перспективных решений.

Но у такой перспективности есть оборотная сторона: УУКМ состоят из хаотично ориентированных кристаллов искусственного углерода, и их повреждаемость на микроуровне крайне сложно описать простыми формулами. Стандартные расчётные схемы, предполагающие однородный материал, оказываются слишком грубыми. Именно здесь и нужен новый подход ПНИПУ.

На микромасштабе разработчики построили алгоритм, который разбивает композит на миллионы условных элементов‑кристалликов и для каждого оценивает напряжения и деформации. По четырём критериям прочности программа решает, где возможен излом, где — частичный надрыв связей, а где структура остаётся целой. Полученная карта повреждений определяет, насколько локально ухудшились упругие свойства материала.

Затем включается макроуровень: трёхмерная модель бедренной части эндопротеза, установленного в кость, нагружается как при реальной ходьбе. «Картина напряжений» передаётся обратно на микромодель, которая отмечает новые зоны микроразрушений и корректирует свойства композита в этих участках. Цикл повторяется многократно, имитируя годы эксплуатации.

Аспирант Егор Разумовский поясняет, что такой пошаговый алгоритм позволил увидеть, как имплантат теряет прочность не одномоментно, а через каскад локальных ослаблений. Модель выявила четыре наиболее уязвимые области в бедренном компоненте; в момент, когда в одной из них накапливается критический объём микротрещин, жёсткость детали делает резкий «скачок вниз» на графике.

Кандидат физико‑математических наук Вячеслав Шавшуков подчёркивает: предсказанный характер деформирования и разрушения хорошо совпал с ранее проведёнными экспериментами на образцах УУКМ. Это значит, что модель адекватно описывает физику процесса на всех масштабах — от микротрещин до отказа конструкции.

Практический эффект очевиден: теперь можно виртуально «прогонять» новые формы и составы имплантатов, определять слабые зоны и усиливать их ещё на стадии проектирования, снижая риск поломок и повторных операций. Тот же подход можно адаптировать для других композитов, работающих в экстремальных условиях, — от авиации до энергетики, повышая надёжность как медицинских, так и инженерных систем, сообщает naked-science.ru.

Читайте также:

• С 2025 года в РФ появятся новые штрафы в сфере ЖКХ
• Для автомобилистов могут вернуть скидку 50% на добровольную оплату штрафов
• Штраф за отсутствие прописки в 2026 году: в каких случаях надо будет платить
• В Госдуме раскрыли средний размер пенсии в России в 2026 году
• В России могут узаконить выплаты алиментов продуктами и одеждой