10.08.2020

В СамГМУ ведут работы по созданию бионических эндопротезов кисти

При выполнении захвата человек, в зависимости от цели движения, образует из кисти новый механизм. Кроме того, кисть имеет малый размер суставов, сложную биомеханику и дефицит мягких тканей. Копировать живые системы сегодня позволяют цифровые технологии. Это самый современный тренд, ведь природа за миллионы лет эволюции сама спроектировала оптимальную конструкцию кисти человека. По оценке экспертов, значительная часть обследованных пациентов (56%) нуждаются в применении бионического подхода к эндопротезированию. Потеря конечности представляет огромную социальную проблему. Миллионы человек ежегодно становятся инвалидами, и это огромная нагрузка на мировую экономику.

Команда медиков, программистов и инженеров-конструкторов разработала систему автоматизированного проектирования бионических 3D-моделей поврежденных суставов кисти, оптимальную форму и крепежные элементы сухожилий с учетом наиболее распространенных стереотипов движения, создала эндопротезы и провела серию прочностных тестов. Также были проведены доклинические испытания образцов эндопротезов, полученных с помощью цифрового прототипирования, на клетках и животных моделях.

«Возможность тестирования на клетках новых лекарственных средств является барьером на пути неоправданных экспериментов на животных и человеке. Экспериментальная база позволила нам создать собственный алгоритм доклинических испытаний новых средств медицинского назначения, лекарств и физиотерапевтических факторов — говорит руководитель Банка тканей СамГМУ, профессор Лариса Волова. — Предложенный нами системный подход к тестированию на клетках позволяет не только определять цитотоксичность изучаемого объекта, но и выявлять его малотоксический эффект, трудно улавливаемый другими методами, а также, с помощью комплекса современных методов лабораторного анализа, оценивать вне организма непосредственное влияние изучаемых факторов на функцию и структуру определенной популяции клеток и экстраполировать эти результаты на целостный организм».

Исследовательские работы ведутся как в области технических, так и медицинских наук. На основании КТ и МРТ создаётся 3D-модель эндопротеза с анатомически правильным расположением точек крепления, чтобы подшить к ним связки. На основании 3D-модели создаётся эндопротез в лаборатории аддитивных технологий Самарского университета.

Развитие проекта стимулирует развитие не только межотраслевого, но и международного партнерства. «Совместно со специалистами Национальной инженерной школы Сент-Этьенна Университета Лиона (Франция) мы планируем создать испытательный стенд, чтобы провести испытания созданных эндопротезов при критических нагрузках и быть полностью уверенными, что выпускаемый продукт имеет высокую надёжность» — отмечает директор НОЦ «Аддитивные технологии в медицине» СамГМУ, к.м.н. Андрей Николаенко.

Разработка и совершенствование бионического подхода к эндопротезированию суставов кисти с помощью цифровых технологий позволит решить актуальную проблему современной травматологии и ортопедии, создать имплантаты, в максимальной степени приближенные к естественному суставу. В проектировании гибридных имплантатов сочетаются сплошные части и решетчатые структуры. Это обеспечивает оптимальное распределение механических свойств внутри имплантата, механическую поддержку в областях максимального механического напряжения, а также включение пористых структур в областях меньшего напряжения и обязательного прорастания человеческой ткани.

Применение цифровых технологий в бионическом эндопротезировании суставов кисти позволит замещать дефекты коротких трубчатых костей, восстанавливать анатомические контуры утраченного сегмента, пространственную ориентацию сухожилий мышц и площадь их соприкосновения с эндопротезом, контуры суставных поверхностей, а значит, и геометрию кисти. Это очень важно, ведь даже погрешность в позиционировании крепления сухожилия до 0,5 мм преобразуется в угловое смещение шарнира сустава до 6°.

Справка

Бионика — прикладная дисциплина, изучающая возможности применения принципов организации и функционирования живой материи при создании технических систем и устройств.