Российские ученые научились оценивать качество поверхности медицинских имплантатов с точностью 98%

Ежегодно тысячам людей по всему миру заменяют поврежденные тазобедренные или коленные суставы на искусственные — эндопротезы. Их чаще всего делают из титана: этот металл прочен, не отторгается организмом и может служить годами. Но успех его приживления зависит не только от материала, но и от его поверхности. Определенная шероховатость помогает костной ткани врастать в имплант, буквально «цепляться» за него. А слишком гладкая или, наоборот, хаотичная может привести к отторжению — это происходит в 5% случаев. Поэтому производителям нужно уметь создавать на титановых имплантах идеальный микрорельеф — с ямками и бугорками заданной глубины и формы.

Для этого сегодня используется электроэрозионная обработка. Представьте, что вы можете управлять грозой — вызывать крошечные молнии там, где нужно, и заставлять их вырезать в металле любую геометрию. Именно так это и работает: между деталью и инструментом бьют микроскопические искры, каждая разогревает поверхность материала до тысяч градусов, и его микрочастицы плавятся и испаряются. Удар за ударом — и на поверхности формируется нужный рельеф. Главное преимущество такого метода — возможность обрабатывать сверхпрочные сплавы, которые обычная механическая обработка (резание, сверление, фрезеровка) просто не берет.

Однако у этой технологии есть серьезная проблема: искры бьют случайным образом. Невозможно предсказать, куда придет следующий разряд, какой глубины и формы получится вмятина. Существующие программы для 3D-моделирования этого не умеют, а для точных расчетов нужны суперкомпьютеры и дни ожидания — на производстве это невозможно. Поэтому производители действуют методом проб и ошибок. В итоге вместо идеального микрорельефа на поверхности импланта возникает хаотичный — слишком глубокие выемки или острые края. Костной ткани не за что зацепиться, или она травмируется. Результат — риск отторжения и повторные операции.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха впервые в России разработали принципиально новую компьютерную 3D-модель, которая с точностью 98% предсказывает, как именно электрическая искра изменит поверхность импланта. Это позволит производителям заранее, еще до запуска станка, за секунды рассчитать нужный режим обработки и получить идеальную поверхность изделия. Статья опубликована в сборнике трудов конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии».

В ее основе — два параметра: энергия удара и свойства металла. Программа подставляет их в формулу и за секунды выдает готовый результат — глубину ямки, форму кратера, шероховатость поверхности. Это отличается от существующих подходов, которые требуют суперкомпьютерных мощностей и детального моделирования физики каждой искры.

Чтобы проверить, как работает модель, ученые выполнили серию вычислительных экспериментов. Задали в программе параметры одной искры, а потом начали «бить» ею по виртуальной детали из стали. Расчет показал: за один разряд удаляется микроскопическое количество металла. Его не разглядеть невооруженным глазом. Но когда таких ударов тысячи, из этих крошечных частиц складывается заметная ямка.

— После 10 000 искр на поверхности образовался кратер глубиной 0,05 миллиметра — примерно как толщина человеческого волоса. При 50 000 разрядов ямка углубилась до 0,25 миллиметра. А после 100 000 искр — до 0,5 миллиметра. Мы обнаружили четкую закономерность: во сколько раз больше разрядов — во столько раз глубже ямка. Этот вывод подтвердил, что модель работает логично и предсказуемо. При сравнении расчетов с реальными экспериментами точность прогноза достигла 98%, а вычисление занимает несколько секунд, — рассказал Даниил Курушин, доцент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Даниил Курушин, доцент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук / © Пресс-служба ПНИПУ

Кроме того, ученые сделали свою модель наглядной. Они написали программу, которая не просто выдает цифры, а сразу показывает результат в виде трехмерной картинки. Инженер загружает в нее чертеж изделия, задает параметры обработки — и на экране появляется готовая 3D-модель поверхности. Видно, где будут ямки, какой глубины и насколько шероховатой получится деталь.

На практике это будет работать следующим образом. Например, производитель медицинских имплантов загружает в программу модель тазобедренного эндопротеза. Затем задает в ней параметры обработки — силу тока, напряжение и длительность импульса. Система просчитывает, как будет формироваться поверхность, и выдает цветную карту глубин эрозионных кратеров. Если в какой-то зоне шероховатость получается недостаточной или избыточной, технолог корректирует режимы обработки еще до запуска реального станка. Это позволяет добиться идеальной поверхности для остеоинтеграции — врастания костной ткани в имплант. В конечном итоге пациенты получат более качественные и предсказуемые эндопротезы с идеально подобранным микрорельефом, что повысит успех приживления и сократит риск повторных операций.

Разработка ученых Пермского Политеха открывает дорогу для создания доступных компьютерных симуляторов. Вместо того чтобы учиться на дорогих заготовках и рисковать испортить деталь, операторы смогут «набивать руку» в виртуальной среде. А производители — заранее прогнозировать качество поверхности, снижая процент брака и себестоимость изделий.