Вычислительное исследование, проведенное лабораторией инженерной школы Брауна инженера-механика Фреда Хиггса, моделирует и отслеживает, как развиваются бедра, уникальным образом включая динамику жидкости и шероховатость суставных поверхностей, а также факторы, которые врачи обычно используют для прогнозирования того, насколько хорошо имплантаты выдержат ожидаемое расстояние. 15 лет жизни.
Ближайшая цель команды – разработать более прочные протезы.
В конечном итоге, они говорят, что модель может помочь врачам персонализировать тазобедренные суставы для пациентов в зависимости от пола, веса, возраста и вариаций походки.
Хиггс и соавторы Ниа Кристиан, аспирантка Райс, и Гаган Шривастава, преподаватель машиностроения в Райс, а ныне научный сотрудник Dow Chemical, сообщили о своих результатах в биотрибологии.
Исследователи увидели необходимость выйти за рамки ограничений более ранних механических исследований и стандартных клинических практик, которые использовали простую ходьбу в качестве основы для оценки искусственных бедер без включения упражнений с более высокой ударной нагрузкой.
«Когда мы разговариваем с хирургами, они говорят нам, что многие их решения основаны на их богатом опыте», – сказал Кристиан. "Но некоторые выразили желание иметь более совершенные диагностические инструменты, чтобы предсказать, как долго прослужит имплант.
«Пятнадцать лет звучат как долгий срок, но если вам нужно вставить искусственное бедро молодому и активному человеку, вы хотите, чтобы он прослужил дольше, чтобы ему не пришлось делать несколько операций», – сказала она.
Лаборатория потоков частиц и трибологии Хиггса была приглашена Райсом, механиком и биоинженером Б.J. Fregly, чтобы сотрудничать в его работе по моделированию движения человека для улучшения жизни пациентов с неврологическими и ортопедическими нарушениями.
«Он хотел знать, можем ли мы предсказать, как долго прослужат их лучшие кандидаты в тазобедренные суставы», – сказал Хиггс, профессор механической инженерии Джона и Энн Дорр из Райс и профессор биоинженерии, чья замена коленного сустава отцом частично вдохновила на исследование. "Итак, наша модель использует ходьбу реальных пациентов."
Физическим симуляторам необходимо выполнить миллионы циклов для прогнозирования точек износа и отказов, а для получения результатов могут потребоваться месяцы. Модель Хиггса направлена на ускорение и упрощение процесса путем анализа реальных данных захвата движения, подобных тем, которые производятся лабораторией Fregly, а также данных от «оснащенных» имплантатов бедра, изученных Георгом Бергманном из Свободного университета Берлина.
Новое исследование включает в себя четыре различных режима физики – контактную механику, гидродинамику, износ и динамику частиц – которые играют в движении бедра. По словам исследователей, ни одно из предыдущих исследований не рассматривало все четыре одновременно.
Еще одна проблема, которую не рассматривали другие, – это изменение состава смазки между костями. Естественные суставы содержат синовиальную жидкость, внеклеточную жидкость с консистенцией, похожую на яичный белок и секретируемую синовиальной оболочкой, соединительной тканью, которая выстилает сустав. При замене бедра мембрана сохраняется и продолжает выделять жидкость.
«В здоровых естественных суставах жидкость создает достаточное давление, чтобы вы не соприкасались, поэтому все мы ходим без боли», – сказал Хиггс. "Но искусственный тазобедренный сустав обычно подвергается частичному контакту, что со временем изнашивает и портит имплантированный сустав. Мы называем этот вид растирающей смешанной смазкой."
Это трение может привести к увеличению образования частиц износа, особенно из пластика – полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы, который обычно используется в качестве впадины (вертлужной впадины) в искусственных суставах.
Эти частицы размером до 5 микрон, смешанные с синовиальной жидкостью, иногда могут выходить из сустава.
«В конце концов, они могут ослабить имплант или вызвать разрушение окружающих тканей», – сказал Кристиан. "И они часто переносятся в другие части тела, где могут вызвать остеолиз.
Есть много споров о том, где они в конечном итоге попадают, но вы не хотите, чтобы они раздражали остальную часть вашего тела."
Она отметила, что использование металлических розеток, а не пластиковых, представляет интерес. "Бедра" металл по металлу "были сильно продвинуты, потому что металл прочен, – сказал Кристиан. "Но некоторые из них вызывают отламывание металлической стружки. Со временем они накапливаются и кажутся гораздо более опасными, чем частицы полиэтилена."
Дальнейшее вдохновение для нового исследования пришло из двух предыдущих работ Хиггса и его коллег, которые не имели ничего общего с биоинженерией.
В первом изучалась химико-механическая полировка полупроводниковых пластин, используемых в производстве интегральных схем. Второй продвинул свое прогнозное моделирование от микромасштабных интерфейсов к полноразмерным пластинам.
Исследователи отметили, что будущие итерации модели будут включать больше новых материалов, используемых при замене суставов.