Проекты

Протезирование костей человека

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биотехнология и биоинженерия в медицине»

Направление работы: 3D-технологии
Авторы работы: ГБОУ Школа «Дмитровский»
Предметы: Биология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» 2021 года

Актуальность

Тысячелетиями люди встречались с такой проблемой, как инвалидность. В результате несчастных случаев, войн люди лишались различных частей тел. Именно эти обстоятельства стали толчком к началу развития такой отрасли медицины, как протезирование. Люди стремились восстанавливать утраченные части тела. К сожалению, в современном мире немало детей нуждаются в протезировании, но многие врачи и родители думают, что менять каждый год протез бессмысленно из-за лишней траты денег на операции и производства нового протеза. Несвоевременное протезирование может привести к серьёзным последствиям для организма ребёнка, поэтому бывает очень важно установить протез как можно раньше. Этот протез должен быть удобным в использовании, простым в замене частей из-за разборной структуры, достаточно твёрдым, комфортным в эксплуатации и не должен влиять на качество жизни человека.

Цель

Создать более доступный, простой, разборный протез для кости человека.

Задачи

1. Проанализировать информацию по истории протезирования.

2. Определить прогресс в протезировании на данный момент.

3. Сконструировать 3D-модель своего собственного протеза и охарактеризовать его.

4. Сделать общие выводы исследования.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Персональный компьютер

Описание

На основе собранной информации автор разработал протез для лучевой кости человека. Протез ориентирован на людей в возрасте от 12 до 18 лет, так именно в этот период идёт активное формирование костной системы человека, и подростки данного возраста чаще ломают именно кости рук.

Основные материалы протеза – титан и углеродистое волокно, так как титан является лёгким металлом, при этом обладает высокой прочностью, теплостойкостью и превосходной коррозионной стойкостью. Титан быстро вступает в реакцию с кислородом, в результате чего образуется твёрдый инертный внешний слой из TiO2, который не взаимодействует с химическими веществами, находящимися в организме человека.  Что особенно важно – он не отторгается организмом и не вызывает аллергии.

При конструировании модели авторы приняли решение о том, что протез будет состоять из двух переходных частей от кости к протезу, стержня и центральной оболочки протеза.

Переходник крепится вовнутрь кости с помощью костного цемента, чтобы в случае повреждения переходника его можно было бы легко заменить. Дополнительными плюсами такого крепления к кости будут: уменьшение стресс-шилдинга, более равномерное распределение нагрузки, уменьшение риска перелома кости. В цемент может быть добавлен антибиотик для профилактики осложнений.

Скелет стержня имеет 8 винтовых гнёзд для скрепления всех частей протеза между собой. Скелет стержня будет покрыт углеродным волокном, так как оно обладает высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью с исключительно высокой термостойкостью: в инертных средах или в вакууме – до 3000 °С, на воздухе – до 450 °С. Благодаря этому стержень будет выдерживать достаточно высокие физические нагрузки.

Центральная оболочка протеза будет служить дополнительной защитой стержня и иметь гладкую поверхность для меньшего трения с мышцами.

Все части протеза будут фиксироваться на 8 винтов из титана. Это даст надёжную и простую для сборки конструкцию.

Результаты

Были разработаны: конструкция протеза локтевой кости, переходник от кости к протезу, стержень, центральная оболочка.

Выводы

1. Титан является очень прочным материалом с низкой плотностью, поэтому он хорошо подходит для замены костей.   

2. Разработанная модель протеза обладает достаточной твёрдостью, удобна в эксплуатации и проста для замены определённых частей из-за разборной структуры. 

Перспективы использования результатов работы

Данную конструкцию можно использовать для помощи людям, нуждающимся в протезировании локтевой или лучевой костей руки, и предотвращения ампутации локтевой части руки.

Сотрудничество с вузом при создании работы

ГАОУ ВО МГПУ ИНО ЦПТ «Старт-ПРО»