تقترب روسيا من استبدال الأطراف الاصطناعية المعدنية بأخرى مصنوعة من ألياف الكربون

تعتبر جراحة المفاصل الاصطناعية من أكثر العمليات شعبية في العالم. يؤدي نمط الحياة المستقر والوزن الزائد والشيخوخة السكانية اليوم إلى حقيقة أن ارتداء المفاصل أصبح أحد المشاكل الطبية والاجتماعية الرئيسية، لأنه يؤدي إلى الإعاقة لدى الأشخاص في سن العمل، وانخفاض في نوعية الحياة وتكاليف اقتصادية ضخمة للعلاج وإعادة التأهيل. غالبًا ما ترتبط الأطراف الاصطناعية باستبدال مفصل الورك. ووفقا لأحدث البيانات، يتم إجراء حوالي مليون عملية من هذا القبيل سنويا في العالم. تبلغ قيمة سوق استبدال مفصل الورك الآن 8.7 مليار دولار وهي في تزايد. تقليديًا، تُصنع هذه الأطراف الاصطناعية من المعدن، لكن صلابتها لا تتناسب مع صلابة العظام. بمرور الوقت، يمكن أن يؤدي ذلك لدى المريض إلى التهاب وتدمير الأنسجة المحيطة بالزرعة، مما يؤدي إلى ارتخاء الهيكل والتسبب في الحاجة إلى عمليات متكررة. واحدة من المواد البديلة المعدنية الواعدة هي مركب الكربون الكربوني. لديها مقاومة عالية للتآكل والتوافق الحيوي المطلق مع أنسجة العظام. لاستخدام هذه المادة في الأطراف الصناعية الحقيقية، من المهم أن نفهم الأجزاء التي تتكون منها وكيف يعمل كل منها. الأول هو الجذع (المكون الفخذي)، الذي يتم إدخاله في العظم ويحل محل جزء من الفخذ مع المفصل. الجزء الثاني هو الكأس: وهو جزء مستدير يتصل بعظم الحوض ويربطه مع الجزء الفخذي من الطرف الاصطناعي في هيكل واحد. فهو يضمن حركة المفاصل ويتحمل العبء الرئيسي عند المشي والجري والحركات الأخرى. في حين تمت دراسة استخدام مركب في الجذع، إلا أنه لا يوجد حتى الآن أي بحث في الأدبيات العلمية للوعاء. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن البنية الداخلية لمركب الكربون الكربوني معقدة وغير متجانسة. كما هو الحال مع أي مادة أخرى، قد تظهر فيها تشققات صغيرة وأضرار أخرى بمرور الوقت، مما يؤدي إلى ارتخاء الطرف الاصطناعي أو تدميره. ومع ذلك، إذا كانت المعادن والسبائك لها بنية بسيطة إلى حد ما، مما يجعل من الممكن التنبؤ بسلوك جزء ما بدقة عالية، فإن المركب له بنية مختلفة، ومن المستحيل التنبؤ بمعدل تدميره باستخدام الطرق الهندسية التقليدية. في السابق، طور علماء بيرم بوليتكنيك أول نموذج كمبيوتر في العالم، والذي يأخذ في الاعتبار البنية الفوضوية للمركب ويجعل من الممكن التنبؤ بالضرر الذي قد يلحق بالساق الاصطناعية. ومع ذلك، من أجل التشغيل الموثوق للطرف الاصطناعي، يجب أن تكون جميع أجزائه مصنوعة من نفس المادة. الآن، قام باحثو بيرم لأول مرة بدراسة مركب الكربون والكربون في تصميم كوب الأطراف الاصطناعية. ستسمح نتائج الدراسة للمهندسين بالحساب مقدمًا تحت أي أحمال وفي أي مناطق سيبدأ الضرر الأول، وبالتالي تصميم غرسات كاملة ذات عمر خدمة يمكن التنبؤ به. نُشر المقال في مجلة “نشرة جامعة بيرم الوطنية للبحوث البوليتكنيكية. الميكانيكا”. أولاً، قام الباحثون ببناء نموذج حاسوبي للمكون. وكان معروفاً من الدراسات السابقة أن البنية الداخلية لهذه المركبات غير متجانسة، وأن المقاطع الفردية لها خصائص مختلفة. وفقا لذلك، في ضغوط مختلفة سوف تنهار بطرق مختلفة. النموذج المكاني للمكون الحقي / © PNRPU Press Service – كان من الضروري فهم كيفية تصرف كلا جزأين المادة تحت الأحمال التي تنشأ في المفصل الحقيقي عند المشي أو الجري أو صعود السلالم. وللقيام بذلك، قمنا بتعيين حمل في النموذج وقمنا بزيادته تدريجيًا من 0 إلى 400 كيلوجرام، وسجلنا ما كان يحدث داخل الوعاء. قال إيجور رازوموفسكي، طالب دراسات عليا في قسم ميكانيكا المواد والهياكل المركبة في PNRPU: “تم اختيار هذا النطاق لأنه يغطي كلاً من الأحمال اليومية العادية والأحمال الشديدة التي يمكن أن تحدث عند الأشخاص النشطين بدنيًا. وأظهر التحليل أن الشقوق الصغيرة الأولى تحدث عند حمولة تبلغ حوالي 220 كجم. ومع ذلك، نظرًا للبنية المعقدة، لا يحدث الفشل بشكل صارم تحت نفس الحمل في كل مرة. للحصول على صورة أكثر دقة، مر الباحثون بآلاف الخيارات الممكنة لهيكل الهيكل. المواد وتم الحصول عليها ليس فقط رقمًا واحدًا، ولكن احتمالات فشل المكونات عند ضغوط مختلفة. تصميم مفصل الورك الاصطناعي / © الخدمة الصحفية لـ PNIPU – على سبيل المثال، مع حمولة 300 كجم، كان احتمال حدوث ضرر في بعض المناطق حوالي 10٪، ومع حمولة 400 كجم – بالفعل 38٪، وفي الوقت نفسه، تظهر أخطر أنواع التدمير فقط عند ضغط يزيد عن 650 كجم – وهذا يحدث بشكل رئيسي بين بالنسبة للرياضيين، نادرًا ما تتجاوز أحمال المفاصل 220 كجم، وهذا يعني أن الوعاء المصنوع من مركب الكربون لا يتضرر في الحياة اليومية. توفر الأبحاث التي أجراها علماء بيرم للمهندسين والمصممين بيانات دقيقة ومثبتة: عند أي حمل وفي أي مكان في الوعاء وبأي احتمال تظهر العيوب الأولى. ونتيجة لذلك، ينتقل تطوير الغرسة المركبة المكونة من قطعة واحدة من فئة الفرضيات النظرية إلى عالم التصميم الهندسي الحقيقي مع خصائص يمكن التنبؤ بها تمامًا من حيث القوة والمتانة والضرر. بالنسبة للمرضى، هذا يعني فرصة محتملة للحصول على طرف صناعي لا يصبح فضفاضًا لسنوات ولا يتطلب عمليات متكررة.