Биологические процессы, как факторы изменчивости механического состояния имплантатов из УУКМ с поврежденной пиролитической углеродной матрицей

Углерод-углеродные-композиционные материалы (далее – УУКМ) являются перспективными для применения в области имплантологии. Технология получения УУКМ позволяет регулировать физико-механические характеристики в широком диапазоне и варьировать область применения материала. Отличительной особенностью УУКМ как функционального материала в сравнении с традиционными материалами является характерный разброс свойств, который обусловлен структурой пиролитической углеродной матрицы. Пиролитическая углеродная матрица имеет стохастическую структуру, что определяет ее механическое поведение на размерном уровне кристаллитов. Флуктуации напряжений в зернах матрицы приводят к повреждениям зерен и изменению механического состояния, причем накопление повреждений до определенной величины приводит к росту несущей способности имплантата из УУКМ. Повреждения реализуются в определенных областях имплантата из УУКМ. Накопление повреждений в локализованных областях приводит матрицу к гранулированному виду. В зонах, где повреждена матрица, с высокой долей вероятности повреждена и костная ткань, которая сформировалась в процессе остеогенеза. На последующих стадиях остеоинтеграции и костного ремоделирования, происходит проникновения биологической среды в области с увеличенной проницаемостью. Проникновение клеток и факторов роста происходит по типу перколяции. Результатом процессов является изменение упругих характеристик материала в зоне повреждений. Целью работы является получение асимптотических формул на основе теории перколяции и теории вероятностей, позволяющих вычислить измененные упругие свойства поврежденной пироуглеродной матрицы в результате процессов остеоинтеграции и костного ремоделирования. Данное исследование направлена на расширение понимания структуры УУКМ, с целью улучшения их свойств и дальнейшего повышения эффективности результатов эндопротезирования имплантатами из УУКМ. Аналитические результаты полученных формул на основе теории перколяции демонстрируют рост модуля объемного сжатия поврежденной пироуглеродной матрицы на 16,1 %, а модуля сдвига на 28,1 %. Полученные результаты вписываются в строгие границы упругих модулей по моделям Хашина – Штрикмана и Фойгта – Ройсса.