Пермяки выяснили, какой имплантат на 92,53% эффективнее справится с восстановлением костей

Статья опубликована в журнале Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. Исследование проведено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования России на выполнение фундаментальных научных исследований.

При переломах, артрозах или после сложных операций для восстановления костей используют скаффолды – временные каркасы из биорастворяемого материала, например, полилактида. Их изготавливают на 3D-принтере, чтобы создать внутри пористую структуру. Отверстия и ячейки в каркасах нужны для правильного прорастания клеток, доставки питательных веществ и кислорода. Регенерирующая кость пациента постепенно заменяет собой скаффолд, а он растворяется в организме по мере выздоровления пациента. Это позволяет избежать повторных хирургических вмешательств.

Одно из главных требований к таким каркасам – они не должны уступать тканям по жесткости. Если имплантат слишком мягкий, он не выдержит нагрузки, которые обычно принимает реальная кость – вес тела, движение и так далее. Из-за этого могут возникнуть деформации, микротрещины или преждевременное разрушение скаффолда до восстановления тканей. Ухудшится сам процесс срастания и увеличится риск воспаления.

– Показатель, который определяет, насколько кость жесткая и сопротивляется деформации под нагрузкой, называется «модуль упругости». Для правильного процесса выздоровления модуль упругости скаффолда должен быть схож с натуральной костью. Это зависит, в том числе, от вида имплантата, который вживляют пациенту, – комментирует Юлия Пирогова, аспирант, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

Универсальная испытательная машина / © Илья Виндокуров, пресс-служба ПНИПУ

Ученые Пермского Политеха изготовили на 3D-принтере образцы каркасов из полилактида по основным применяемым методикам. Их подвергали сжатию и сравнивали с настоящей костной тканью.

Существуют общепринятые инженерные подходы создания скаффолдов. Выделяют три основных: гироидные структуры, диаграммы Вороного и BCC-решетки. Их отличие в распределении пористых структур внутри. Так, например, строение гироидных скаффолдов напоминает природные изогнутые формы, как пчелиные соты или мыльная пена, каркасы Вороного похожи на переплетенные волны.

Задача ученых Пермского Политеха состояла в том, чтобы выявить, какие из них больше всего соответствуют костям человека по жесткости, а значит – наиболее эффективно справятся с восстановлением тканей.

– Образцы скаффолдов сжимали под нагрузкой для имитации воздействия веса, чтобы проверить сходство с архитектурой натуральной кости. Так, эффективный модуль упругости аддитивно изготовленной модели губчатой кости = 765,98 МПа. У каркаса Вороного – 766,21 МПа, у гироидного – 726,47 МПа, а ВСС-решетка показала значение в 469,04 МПа. Это значит, что каркас Вороного – наиболее подходящий по жесткости, и за счет этого кость практически не будет «ощущать» имплантат, – поясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

– Мы также изучили поведение скаффолдов при нагрузке 4000 Н (≈400 кг). Это примерная максимальная нагрузка на бедренную кость при ходьбе или прыжке у взрослого человека. После численного эксперимента доля разрушенных элементов составила у гироидных каркасов 1,2%, у Вороного до 5%, а у ВСС – 7,1%. С этой точки зрения можно сказать, что гироидные структуры и структуры на основе решеток Вороного лучше распределяют нагрузку, чем BCC-решетки, – рассказывает Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Смоделированный образец полилактида / © Илья Виндокуров, пресс-служба ПНИПУ

Исследование ученых Пермского Политеха помогло определить типы каркасов, обладающие наибольшей жесткостью и схожие с человеческой костью. Так, наиболее близкий к натуральной кости модуль упругости показал каркас Вороного – 766,21 МПа. При этом показатель геометрической реализации реального биологического материала – 765, 98 МПа. Такие результаты позволяют говорить о том, что этот вид скаффолдов соответствует костному материалу почти на 99% и более эффективно позволяет тканям восстанавливаться.

Разработанные в лаборатории структуры могут стать основой для персонализированных имплантатов, ускоряющих заживление костей и снижающих риск осложнений. Правильный выбор каркасов поможет снизить риск отторжения имплантатов и ускорить реабилитацию пациентов. Результаты исследования будут полезны в медицине и биомедицинской инженерии.