Способ создания конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова на основе композиционного материала с полимерной термореактивной матрицей, армированной объемной цельнотканой 3D преформой в виде спиральной ленты Российский патент 2025 года по МПК A61B17/62 A61L31/02 

Настоящее изобретение относится к способу создания конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова на основе композиционного материала с полимерной термореактивной матрицей, армированной объемной цельнотканой 3D преформой, в виде спиральной ленты, которая представляет собой объемную армирующую решетку, соответствующую размерам и форме будущего изделия, включающей армирующую структуру, позволяющую использование механической обработки в виде сверления технических отверстий без потери прочности полукольца аппарата Илизарова.

Цельнотканая 3D преформа - это вытканная в данном случае из углеродных нитей объемная армирующая решетка, соответствующая размерам и форме будущего изделия из полимерного композиционного материала. В объемной цельнотканой 3D преформе все армирующие элементы, представляющие собой углеродные нити, взаимопереплетенные в единую объемную структуру, всегда находятся в расчетных местах, в запроектированном расчетном положении, что обеспечивает постоянное качество изделий и единообразие физико-механических характеристик.

Технические отверстия - отверстия, получаемые путем механической обработки.

Под армирующими нитями подразумеваются непрерывные углеродные нити.

Метод RTM (RESIN TRANSFER MOULDING) - «транспортировка смолы в оснастку», технология производства композитных изделий на основе пропитки армирующего материала термореактивным связующим.

Способ создания подразумевает разработку конструкционного элемента устройства внешней фиксации при переломе, используемого для коррекции кости и дистракции длины костного соединения или деформации кости во время перелома.

Композиционный элемент в виде полукольца, полученный данным способом, можно использовать для формирования опорных элементов конструкции в виде колец, собранных из двух полуколец, которые являются рентгенопрозрачными. Объемная цельнотканая 3D преформа содержит множество тканых армирующих слоев.

Кривизна преформы рассчитывается в зависимости от требуемого диаметра полукольца аппарата Илизарова. Диаметр полукольца аппарата Илизарова может варьироваться в диапазоне 100-240 мм, а количество цельнотканых слоев зависит от требуемых физико-механических характеристик полукольца аппарата Илизарова, в данном изобретении для кольцевых элементов аппарата Илизарова является оптимальным использование трех цельнотканых слоев.

Заданная длина соответствует длине дуги полукольца.

При формовании происходит укладка готовой объемной цельнотканой 3D преформы в пресс форму-оснастку, которая снабжена двумя специальными технологическими пазами (углублениями), для придания формы части крепления для возможности регулирования последующего соединения с другими элементами фиксации. После чего осуществляется пропитка преформы под давлением, сушка и поверхностная механическая обработка готового композита, удаление облоя, не травмирующая целостность армирующей структуры изделия.

Структура, состоящая из 3 цельнотканых слоев переплетения, предотвращает ослабление жесткости конструкции и нарушение структуры армирования дополнительной механической обработкой.

Цель хирургической репозиции отломков костей при помощи различных фиксирующих конструкций, обеспечивающих длительное устранение их подвижности - обеспечение стабильной фиксации отломков в правильном положении с сохранением функциональной оси сегмента, стабилизация зоны перелома для полного сращения.

Часто кольца и соединители многих костных фиксаторов и других медицинских устройств, в том числе аппаратов Илизарова, применяемых в реконструктивной хирургии, выполнены из металла. Традиционно фиксирующие устройства изготавливают из медицинской нержавеющей стали, но при этом использование железа или стали имеет два основных недостатка - масса конструкций и нерентгенопрозрачность, что добавляет неудобства как пациенту, так и врачу.

Современные методики терапии и лечения переломов, а также реконструкции конечностей требуют существенного снижения веса, стойкости к химическим реагентам и рентгенопрозрачности аппарата при сохранении его основных функций, и в настоящее время все больше применяются новые легкие и рентгенопрозрачные материалы для колец и других деталей аппарата.

Последние научные разработки в области полимерных композиционных материалов (ПКМ), армированных специальными волокнами и нитями: стеклянными, углеродными и органическими, обладающими рядом уникальных свойств, позволяют помочь в решении этих вопросов. Например, применение углепластика в конструкциях для остеосинтеза позволяет снизить массу до 60% и обеспечить рентгенопрозрачность. Также для углепластиков характерны: высокая удельная прочность, жёсткость и стойкость к ударам; низкие коэффициенты термического расширения и трения; высокая износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред, к термическому и радиационному воздействию.

На сегодняшний день известен способ формирования волокнистой заготовке для создания конического кожуха (патент RU 2542976 C2, МПК: B29C 70/22; B29B 11/16; D03D 3/00; D03D 3/08; заявка: 2012118069/04, 26.10.2010, опубл. 27.02.2015, патентообладатель: ОЛБАНИ ЭНДЖИНИЭРД КОМПОЗИТС, ИНК. (US), «Волокнистая заготовка, усиленный волокнами композитный элемент и способ их изготовления»). Целью настоящего изобретения является создание конического кожуха, в котором направления составляющих волокон совпадают с основными направлениями конуса, то есть с окружным и осевым направлениями. Данная особенность приводит в результате к образованию заготовки с равномерной прочностью и жесткостью относительно системы нормальных координат и максимизирует прочность и жесткость в основных направлениях полученной структуры.

Недостатком данного изобретения является то, что ткачество проходит по усеченному конусу, вследствие чего данное изделие формирует форму конуса, а не кольца.

Из существующего уровня техники известно множество устройств внешней фиксации при переломе, используемых для коррекции кости и дистракции длины костного соединения или деформации кости.

В качестве наиболее близкого аналога по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого изобретения, принят композитный конструкционный элемент внешней фиксации переломов из углеродного волокна (патент RU 2810435 C1, МПК: A61B17/62; A61B17/64; A61B17/66; A61L31/02; заявка 2023112316, 12.05.2023, опубл. 27.12.2023, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "КАРБОНТЕКС" (RU), «Способ создания конструкционного сектора кольца аппарата Илизарова»), на базе 3D преформы, армирующая структура которой предусматривает самостоятельные плановые технические отверстия без повреждения структуры непрерывных углеродных нитей.

В данном аналоге сектор кольца изготовлен из композиционного материала на базе объемной цельнотканой прямой ленты. Аналог предполагает, что в процессе формования композита, 3D преформа в виде прямой ленты укладывается в форму-оснастку, рассчитанную на получение готового изделия изогнутой формы, что вызывает внутреннюю деформацию армирующих нитей, при изгибе и укладывании заготовки. Деформация происходит из-за того, что длина волокон, при переплетении, отлична от той длины волокон, которая необходима при изгибе. Как следствие, образуются волнообразные складки на участках, где длина волокон вытканных слишком длинная, и стяжки на участках, где длина волокон слишком короткая.

Напротив, цельнотканая 3D преформа представляющая собой спиральную объемноармированную ленту вкладывается в форму-оснастку, уже в форме полукольца, то есть имеет форму конечного изделия, и не вызывает деформацию армирующих нитей. А единая армирующая структура изделия предотвращает расслоение, а также обеспечивает стойкость к ударам и более высокие физико-механические показатели готового изделия, к примеру, жесткость на изгиб и прочность на излом, позволяющие использование механической обработки в виде сверления технических отверстий без потери прочности полукольца аппарата Илизарова.

Поскольку кольцевые компоненты аппарата эксплуатируют в условиях постоянной, весьма значительной нагрузки, то для спиц (где на один кольцевой элемент приходится не менее двух), предназначенных для фиксации костных фрагментов, должна быть надежная фиксация на полукольцах аппарата, в том числе для более эффективного лечения, должны быть созданы условия, позволяющие изменить положение спиц под нужным углом.

Таким образом, прочность и жёсткость самого композита определяется, свойствами армирующего наполнителя, в данном случае объемной цельнотканой 3D преформы из углеродных нитей в виде спиральной ленты.

Настоящее изобретение разработано и предусмотрено в соответствии с вышеупомянутыми технологическими требованиями к композитному изделию в виде конструктивного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова из термореактивной полимерной матрицы, армированной взаимосвязанными непрерывными углеродными нитями.

Данная задача решается за счет того, что готовая армирующая структура заявленного композитного элемента, состоящего из объемной цельнотканой 3D преформы, на основе углеродных нитей и полимерной матрицы, содержит 3 цельнотканых слоя, в пространственной (объемной) структуре, образованной за счет переплетения армирующих нитей, расположенных в трех направлениях (X,Y,Z), так, что длина продольных нитей (Х) в наружной части кольца больше длины продольных нитей во внутренней части кольца, за счет чего преформа приобретает рассчитанную кривизну, соответствующую диаметру кольца Илизарова, находящегося в диапазоне от 110-240мм; при этом поперечная система нитей (Y) располагается радиально; а вертикальные нити (Z) располагаются перпендикулярно относительно продольных и поперечных нитей.

Перед процессом формования отрезают часть ленты равную размеру полукольца.

Изготавливают форму-оснастку и укладывают в нее объемную цельнотканую 3D преформу, пропитывая связующим методом RTM.

В процессе формования с помощью элементов формы-оснастки формируют места крепления изогнутой формы, предназначенные для удобной и надежной фиксации с другими элементами конструкции, к примеру, двух полуколец для создания удобства при установке, а также обеспечения полной фиксации вокруг восстанавливающейся части тела.

После отвержения связующего, из формы-оснастки вынимают готовое полукольцо аппарата Илизарова, удаляют облой внешнего контура и проделывают технические отверстия.

Технический результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является способ создания из полимерного композитного материала на базе объемной цельнотканой 3D преформы многослойного переплетения, в виде спиральной ленты, конструктивного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова со структурной целостностью, равномерной прочностью и жесткостью, за счет равномерного распределения волокон в окружном и осевом направлениях, для сокращения производственных работ.

Данное изобретение устраняет все вышеперечисленные недостатки аналогов, поскольку полимерные композиционные материалы, выполненные безавтоклавным формованием на основе цельнотканых объемно-армирующих преформ, обладают такими физико-механическими характеристиками, как отсутствие расслаивания, повышенное сопротивление повреждениям, улучшенное сопротивление удару, высокие показатели долговечности, высокая прочность вблизи отверстий и крепежных элементов.

Для удобства способ создания композита будет описан на примере создания полукольца, которое можно использовать в ортопедических скобах или устройствах для фиксации костей.

Однако следует понимать, что композит можно использовать для формирования самых разнообразных конструкций.

Способ создания конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова на основе композиционного материала с полимерной термореактивной матрицей, армированной объемной цельнотканой 3D преформой в виде спиральной ленты, включает в себя следующие этапы.

На первом этапе изготавливают армированную объемную цельнотканую 3D преформу в виде спиральной ленты на основе непрерывных углеродных нитей, многослойного переплетения, структуры, состоящей из 3 цельнотканых слоев, образованной за счет переплетения армирующих нитей, расположенных в трех направлениях так, что длина продольных нитей в наружной части кольца больше длины продольных нитей во внутренней части кольца, за счет чего преформа приобретает расчетную кривизну, соответствующую диаметру полукольца аппарата Илизарова, находящегося в диапазоне 100-240 мм, при этом поперечные нити располагаются радиально, а вертикальные нити располагаются перпендикулярно относительно продольных и поперечных нитей.

На втором этапе отрезают часть ленты армированной объемной цельнотканой 3D преформы, равную размеру полукольца аппарата Илизарова.

На третьем этапе изготавливают форму-оснастку для формирования полукольца аппарата Илизарова с учетом размещения элементов для придания изогнутой формы местам крепления для возможности последующего соединения с другими элементами конструкции.

На четвертом этапе укладывают ленту армированной объемной цельнотканой 3D преформы в форму-оснастку и пропитывают ее связующим методом RTM.

На пятом этапе после отверждения связующего из формы-оснастки вынимают готовое полукольцо аппарата Илизарова, удаляют облой внешнего контура и просверливают технические отверстия.

Приведенное выше краткое изложение, а также последующее подробное описание изобретения будут лучше понятны при чтении вместе с приложенными чертежами. В целях иллюстрации изобретения на чертежах показаны варианты осуществления, которые в настоящее время являются предпочтительными. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается показанными точными схемами и инструментами.

На рисунках представлены:

Фиг. 1 - Вид сверху варианта осуществления композитного полукольца;

Фиг. 2 - Вид сверху объемной цельнотканой 3D преформы в виде спиральной ленты, применяемой для формирования композитов из углеродных нитей;

Фиг. 2а - Увеличенный вид объемной цельнотканой 3D преформы, показанной на Фиг. 2;

Фиг. 3 - Схема 3D-ткачества, представленная в описании, вид сверху;

Фиг. 3а - Схема 3D-ткачества, представленная в описании, изометрия;

Фиг. 4 - Фотография нижней части формы-оснастки со вложенной объемной цельнотканой 3D преформой;

Фиг. 5 - Фотография верхней части формы-оснастки.

Один вариант осуществления включает создание конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова 1 (фиг. 1) из композиционного материала, состоящего из полимерной термореактивной матрицы и армирующего наполнителя, в виде объемной цельнотканой 3D преформы 2 (фиг. 2), представляющую собой многослойную тканую из углеродных нитей спиральную ленту соответствующую размерам и форме будущего изделия, включающей армирующую структуру (фиг. 3), позволяющую использование механической обработки в виде сверления плановых технических отверстий 4 без потери прочности готового полукольца аппарата Илизарова.

Полукольцо 1 (фиг. 1) имеет места крепления 3, изогнутой формы, для возможности последующего соединения с другими элементами фиксации.

На фотографии, представленной на фиг. 2 показана структура объемной цельнотканой 3D преформы 2 многослойного переплетения, в виде отрезанной спиральной ленты. Фиг. 2а показывает увеличенный вид преформы 2.

На фиг. 3 и фиг. 3а изображена структура изготавливаемой объемной цельнотканой преформы 2, состоящая из трех цельнотканых слоев, представляющих собой переплетение систем продольных нитей 5, указанных желтым цветом, поперечных нитей 6 (расположенных радиально), показанных зеленым цветом, и вертикальных нитей 7, обозначенных красным цветом, так, что длина продольных нитей 5 в наружной части полукольца 8 больше длины продольных нитей 5 во внутренней части кольца 9, за счет чего преформа приобретает рассчитанную кривизну, соответствующую диаметру полукольца аппарата Илизарова. Для пояснения внутренняя и наружная части кольца очерчены линиями голубого цвета на фиг. 3а.

При технологии производства композиционного полукольца методом RTM, происходит создание композитного полукольца 1 (фиг. 1) на основе объемно цельнотканой 3D преформы 2 (фиг. 2), созданную с помощью автоматизированного 3D-ткацкого комплекса, которую укладывают между нижней 10 и верхней 11 частью формы-оснастки (фиг. 4-5), и пропитывают полимерным связующим.

При изготовлении формы-оснастки для формирования конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова, учитывают места размещения элементов 12, для формования мест крепления 3 изогнутой формы к другим фиксирующим элементам конструкции, к примеру, двух полуколец для создания удобства при установке, а также обеспечения полной фиксации вокруг восстанавливающейся части тела.

После отвержения смолы, из формы-оснастки вынимают готовое изделие 1, и проделывают плановые технические отверстия 4, также производят снятие облоя внешнего контура.

Существует большое разнообразие ортопедических конструкций, допускающих использование колец или их фрагментов. Для данного изобретения, а именно для цельнотканой преформы под композит могут использоваться любые сложные многослойные переплетения, известные в данной области техники, с различными способами соединения слоев, например, многослойные ткани с частью основных нитей, участвующих в соединении слоев, многослойные ткани со всеми основными нитями, участвующими в соединении слоев, многослойные ткани с глубиной соединения слоев, равному числу слоев ткани, и ортогональные ткани.

О перспективности метода объемного ткачества говорит то, что изготовление высоко- и сложнонагруженных деталей из полимерных композиционных материалов затруднительно, а в ряде случаев невозможно без применения объемных армирующих структур.

Таким образом, если технологии изготовления полимерных композитов на основе плетеных преформ можно считать в основном реализованными в различных областях промышленности, использующей изделия из полимерных композиционных материалов, то объемные цельнотканые 3D преформы применяются более редко, хотя являются исключительно перспективными. Реализация в современном наукоемком производстве объемных тканых преформ приводит к получению изделий с заданными физико-механическими свойствами, уменьшению трудоемкости изготовления изделий, с перспективой автоматизации производства. Развитие и применение данных решений в высокотехнологичных отраслях российской промышленности позволит придать дополнительный импульс для изготовления новых образцов техники.

Композиты, изготовленные способом, описанным в данном документе, обладают преимуществами по сравнению с известными металлическими кольцами и устройствами, поскольку изготовлены из цельнотканых преформ, пропитанных термопластичным полимером, имеют малый вес и рентгенопрозрачность. Кроме того, при контакте с кожей полимерные композиты не так холодны, как металл, что является дополнительным преимуществом, особенно при разработке устройств для фиксации костей. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в описанный выше вариант осуществления могут быть внесены изменения без отклонения от их широкой изобретательской концепции. Следует понимать, что это изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами осуществления, но предназначено для охвата модификаций в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к медицине. Способ создания конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова на основе композиционного материала с полимерной термореактивной матрицей, армированной объемной цельнотканой 3D преформой в виде спиральной ленты. На первом этапе изготавливают армированную объемную цельнотканую 3D преформу в виде спиральной ленты на основе непрерывных углеродных нитей, многослойного переплетения, структуры, состоящей из 3 цельнотканых слоев, образованной за счет переплетения армирующих нитей, расположенных в трех направлениях так, что длина продольных нитей в наружной части кольца больше длины продольных нитей во внутренней части кольца, за счет чего преформа приобретает расчетную кривизну, соответствующую диаметру полукольца аппарата Илизарова, находящегося в диапазоне 100-240 мм, при этом поперечные нити располагаются радиально, а вертикальные нити располагаются перпендикулярно относительно продольных и поперечных нитей. На втором этапе отрезают часть ленты армированной объемной цельнотканой 3D преформы, равную размеру полукольца аппарата Илизарова. На третьем этапе изготавливают форму-оснастку для формирования полукольца аппарата Илизарова с учетом размещения элементов для придания изогнутой формы местам крепления для возможности последующего соединения с другими элементами конструкции. На четвертом этапе укладывают ленту армированной объемной цельнотканой 3D преформы в форму-оснастку и пропитывают ее связующим методом RTM. На пятом этапе после отверждения связующего из формы-оснастки вынимают готовое полукольцо аппарата Илизарова, удаляют облой внешнего контура и просверливают отверстия. Изобретение обеспечивает увеличенную структурную целостность изделия, равномерную прочность и жесткость за счет равномерного распределения волокон в окружном и осевом направлениях для сокращения производственных работ. 5 ил.

Способ создания конструкционного элемента в виде полукольца аппарата Илизарова на основе композиционного материала с полимерной термореактивной матрицей, армированной объемной цельнотканой 3D преформой в виде спиральной ленты, причем:

на первом этапе изготавливают армированную объемную цельнотканую 3D преформу в виде спиральной ленты на основе непрерывных углеродных нитей, многослойного переплетения, структуры, состоящей из 3 цельнотканых слоев, образованной за счет переплетения армирующих нитей, расположенных в трех направлениях так, что длина продольных нитей в наружной части кольца больше длины продольных нитей во внутренней части кольца, за счет чего преформа приобретает расчетную кривизну, соответствующую диаметру полукольца аппарата Илизарова, находящегося в диапазоне 100-240 мм, при этом поперечные нити располагаются радиально, а вертикальные нити располагаются перпендикулярно относительно продольных и поперечных нитей,

на втором этапе отрезают часть ленты армированной объемной цельнотканой 3D преформы, равную размеру полукольца аппарата Илизарова,

на третьем этапе изготавливают форму-оснастку для формирования полукольца аппарата Илизарова с учетом размещения элементов для придания изогнутой формы местам крепления для возможности последующего соединения с другими элементами конструкции,

на четвертом этапе укладывают ленту армированной объемной цельнотканой 3D преформы в форму-оснастку и пропитывают ее связующим методом RTM,

на пятом этапе после отверждения связующего из формы-оснастки вынимают готовое полукольцо аппарата Илизарова, удаляют облой внешнего контура и просверливают отверстия.