A természet a világ legjobb és legősibb mérnöke – évezredek során tökéletesítette az emberi test alkotóelemeit, hogy azok minél könnyebbé, erősebbé, és funkcionalitásukban tökéletesebbé váljanak. Ennek eredményeként mai világunkban a mérnökök – a bionika* tudományán keresztül – a természet példáit követve, tanulmányozva terveznek és alkotnak koncepciókat. Sokan úgy gondolhatják, hogy valószerűtlen, hogy az emberi csont helyettesíthetné azokat az anyagokat, amelyek a mindennapi tervezésben használatosak – mint a vas, a beton, az acél vagy a réz.

Pedig feltehetnénk a kérdést: vajon a csont erősebb, mint a beton? A válasz meglepő: attól függ.

A csont rugalmassága hasonló a betonéhoz, ugyanakkor összenyomáskor tízszer erősebb annál. Ami a rozsdamentes acéllal való összehasonlítását illeti, a csont hasonló nyomószilárdságú, ám háromszor könnyebb. Ugyanakkor a csontok tulajdonságai nem állandók, hiszen élő szövetek alkotják. Alkalmazkodnak az emberek életmódjához, erősebbé vagy gyengébbé válnak az életkor, valamint környezeti vagy egészségügyi tényezők hatására.

A természet zsenialitása akkor mutatkozik meg igazán, amikor megpróbáljuk helyettesíteni, amit teremtett: bár a beépített implantátumok sok ember számára szükségesek, akár életmentőek lehetnek, időtállóságuk össze sem hasonlítható a valódi csont élettartamával. Vegyük példának a térdízületet, amely 60-80 év alatt használódik el, míg a térdpótlás során beültetett implantátum jó, ha 20 évig bírja.

A mérnököknek úgy kell megtervezniük ezeket az implantátumokat, hogy azok a nagy terhelést is kibírják – a mindennapi tevékenységek során, mint például a séta, vagy ugrás, az emberi vázszerkezet olyan terheléseket kap, amely a tömegének 4-20-szorosát is kiteheti. Ilyen extrém terhelés lehet például a nyomás, csavarás, nyírás és húzás.

Hogyan bírják a csontok ezt az óriási igénybevételt?

A csontok kompozit mikroszerkezetüknek köszönhetően bírják ezeket az extrém terheléseket; kollagén rostokból állnak, amelyeket a csontot kitöltő sűrű csontvelő és az ásványi anyagok tesznek még keményebbé. Ezen kívül vizet, fehérjét, élő sejteket és véredényeket tartalmaznak. Azonban a csont azon képessége, hogy alkalmazkodni tud a környezetéhez, a terheléshez, és tulajdonságait képes idővel változtatni, ez jelenti a mérnökök számára az igazi kihívást. Bonyolult és komplex feladat hasonló tulajdonságokkal rendelkező anyagokat létrehozni, éppen ezért a mérnökök gondosan választják meg mind az alapanyagokat, mind a designt a tervezés során, és addig módosítják újra meg újra, míg az implantátum nem teljesíti az elvárásokat.

A legjobb csontanyag-helyettesítők után kutatva

Mivel a csont minden tulajdonságának replikációja egyelőre nem lehetséges, a mérnökök igyekeznek az orvostechnikai eszközöket mindig egy adott, speciális esetre optimalizálni. Ha például egy betegnek csontgraftra** van szüksége, a mérnökök a megmaradt csont kémiájának, összetevőinek és mikroszerkezetének összehangolására törekednek. Jól alkalmazható a kalcium-foszfát, mert stimulálja a csontok növekedését és elősegíti a gyógyulást. Az ízületek pótlása viszont további kihívásokkal jár: olyan anyagra van szükség, amelynek tulajdonságai megegyeznek a környező csont teljesítményével és tulajdonságaival. Mindez pedig nagyban függ a beteg életkorától, nemétől, testtömegétől és életmódjától. A mérnököknek arra is figyelniük kell, hogy a választott anyag megfelelően ellenálljon a korróziónak és biokompatibilis legyen.

Speciális anyagválasztó eszköz segítségével a mérnökök összeegyeztethetik a megfelelő anyagot a beteggel és azok egészségi állapotával. A megfelelő szimulációs szoftverek használatával olyan új anyagok tervezése válik lehetségessé, amelyek sokkal jobban teljesítenek a jelenlegieknél.

Ansys Granta termékcsalád – az anyagtudomány specialistája

Minden tárgy, termék anyagból készül, ahogyan a különböző orvosi implantátumok is. Egy-egy új implantátum, az emberi test részére készített speciális pótlóanyag létrehozását rengeteg kutató munka előzi meg. A kutatásban résztvevő vezetőknek, tervező mérnököknek, tudósoknak, orvosoknak vagy biológusoknak a megfelelő döntések meghozatalához, minden anyagról részletes információkra van szükségük. Az implantátumok digitális fejlesztéséhez, illetve virtuális prototípus készítéséhez rendkívül nagy segítséget nyújthatnak a különböző mérnöki szimulációk, szimulációs szoftverek. Segítségükkel az egyes anyagok tulajdonságai, illetve viselkedésük különböző behatásokra jól szimulálhatók anélkül, hogy az adott implantátumot fizikai valójában is elő kellene állítani. Ezáltal rövidül a kutatási idő, és csökkennek a költségek. Az anyagtudomány területén kiemelkedő segítséget nyújt az Ansys Granta termékcsalád.

Amennyiben kérdése lenne a gyógyászati és orvostechnikai eszközök szimulációs megoldásaival, vagy más területhez, iparághoz kapcsolódó mérnöki szimulációkkal és szimulációs szoftverekkel kapcsolatban, keressen minket bizalommal a sales@econengineering.com e-mail címen!

 

____________________________________________________________

* A bionika, vagy más néven biomimikri, olyan átfogó tudományág, amelynek célja az élő természetben kifejlődött megoldások átültetése a műszaki gyakorlatba. Abból kiindulva, hogy a természetben fennálló természetes kiválasztódás az optimális megoldásokat jelenti egy-egy problémára.

** A csontgraft beültetés kiemelt kutatási területnek számít a csonthiányok pótlását illetően.

 

Forrás: Ansys