Разработка и комплексная оценка 3D-печатных протезов стопы: моделирование, испытания и исследование походки
Автор: Антон Юрьевич Куракин
Соавторы: Куракин А.Ю., Сергеев А.Д., Коростовская Д.А., Сердюков В.С.
Организация: Новосибирский государственный университет
Современный рынок протезов стопы характеризуется поляризацией между доступными, но низкофункциональными решениями и высокоэффективными, но дорогостоящими протезами из композитных материалов. Целью настоящей работы была разработка и комплексная оценка доступных функциональных протезов стопы, изготовленных методом послойного наплавления (FDM). В работе применена итерационная методология проектирования, сочетающая конечно-элементный анализ для оптимизации биомеханического отклика протеза, учет требований пользователя и экспериментальную валидацию. Были разработаны две модели печатного протеза из термополиуретана TPU 95A, их прочностные и функциональные характеристики были оценены численно согласно циклу нагружения из ГОСТ ИСО 22675:2024 (см. Рис. 1).
Механические характеристики материала печати определены при помощи тестов на одноосное растяжение образцов, проведено сравнение модели линейной упругости и различных гиперупругих моделей, определена наиболее эффективная расчётная модель с допущениями линейной упругости, квазистатического расчёта и анизотропии печатного материала. Было показано, что обе разработанные модели работают в упругой области с достаточным запасом прочности. Также проведены стендовые испытания нагружения изготовленных прототипов протезов для валидации расчётной модели. Оценка функциональности выполнена дополнительно на пациенте с транстибиальной ампутацией с использованием инерционной системы захвата движений для анализа кинематики походки. Испытания с пациентом выявили удовлетворительную кинематику походки на обеих моделях, с субъективным предпочтением более плавного переката Модели № 2. Показана практическая применимость предложенного комплексного подхода к разработке протеза, изготавливаемого при помощи 3Д-печати из термопластичного полиуретана TPU95A.
Работа выполнена в НГУ в рамках реализации стратегического технологического проекта программы «Приоритет 2030» (проект «Разработка системы инструментальной оценки походки и мониторинга реабилитации ампутантов нижних конечностей»).
