Ученые из России точнее спрогнозировали долговечность протезов

Современная медицина достигла значительных результатов в области замены поврежденных суставов. Подобные операции сегодня стали высокоточными процедурами, позволяющими пациентам не просто избавиться от хронической боли, а вернуться к полноценной активной жизни. По последним данным, примерно 200 тысяч человек в России ежегодно нуждаются в полной замене тазобедренного сустава. Такая потребность делает важным не только доступность самой операции, но и создание имплантатов, которые служили бы десятилетиями без риска отторжения и повторных операций.

Проблема в том, что существующие металлические протезы остаются чужеродными для организма. Большинство материалов, которые используют врачи, в 4-5 раз жестче натуральной кости. Эта разница приводит к медленному разрушению тканей вокруг имплантата, его расшатыванию и необходимости повторной операции.

Более перспективным решением считаются углерод-углеродные композиты. Это искусственные материалы, созданные специально для медицины, которые сочетают высокую прочность с упругостью, близкой к натуральной кости. Их особенность в том, что под нагрузкой они образуют в своей структуре множество микротрещин и пор. Это способствует лучшему приживлению протеза, поскольку организм начинает заполнять появившиеся пустоты костной тканью, превращая искусственный протез в «естественную» часть скелета. В результате использование углеродных материалов предотвращает отторжение имплантата и продлевает его срок службы.

Однако до сих пор инженеры не могли точно рассчитать, как изменится прочность протеза после того, как в него прорастет кость. Это знание критически важно, поскольку оно позволяет предсказать, как долго и насколько надежно он будет служить пациенту после операции.

До сих пор такие протезы создавались исходя из предположения о том, что костная ткань полностью и равномерно заполняет все пустоты и трещины в композитном материале. Но ученые Пермского Политеха выяснили и доказали, что в реальности этот процесс намного сложнее. В отличие от старых подходов, которые давали усредненный и завышенный прогноз срока службы протеза, результаты исследователей ПНИПУ максимально приближены к тому, что происходит в теле пациента. Это позволит создавать более долговечные имплантаты и точнее прогнозировать их приживаемость. Статья опубликована в журнале «Российский журнал биомеханики».

Аксонометрическая КТ проекция имплантата из УУКМ (а), срез томограммы имплантата (б) / © Пресс-служба ПНИПУ

Ученые изучили новые образцы углеродного композита, а также фрагменты настоящих имплантатов, удаленных у пациентов, чтобы увидеть, как на самом деле кость воздействует на материал после долгой эксплуатации. Сравнив их, исследователи заметили, что в реальном имплантате кость никогда не врастает равномерно и не заполняет абсолютно все микротрещины.

Они установили, что для врастания кости в материал должны выполниться два ключевых требования. Первое — наличие определенной структуры микропор и трещин, которые возникают в процессе эксплуатации. Эти пустоты внутри имплантата должны находиться близко друг к другу и соединяться между собой на разной глубине. Если они будут сильно изолированы друг от друга, то клетка не сможет прорасти и прижиться.

Однако эффективность процесса зависит не только от структуры материала, но и от свойств самой костной ткани. Каждой клетке, чтобы жить, требуется постоянный контакт с организмом: приток кислорода и питательных веществ. Но чем дальше она продвигается вглубь материала, тем слабее становится «связь» с организмом. В результате способность клеток делиться и формировать новую костную ткань снижается. Это значит, что они физически не могут полностью и равномерно заполнить все внутренние поры имплантата.

Эксперты создали математическую модель углеродного материала, которая учитывает оба этих фактора. Ее особенность в том, что она не предсказывает точное расположение и объем трещин, так как это невозможно. Она учитывает уже стандартизированные данные о том, какие нагрузки действуют на сустав при ходьбе, беге или подъеме по лестнице. На основе этой информации о силе и частоте воздействий модель рассчитывает вероятность того, что под их влиянием в материале сформируется именно та связанная структура микропор и трещин, которая необходима для прорастания клеток на определенную глубину.

Исследователи использовали уже известные, усредненные данные о нагрузках на имплантаты. Это позволило проверить саму гипотезу о возможности предсказать итоговую прочность конструкции. Однако сама модель подходит и для индивидуальных расчетов и может создать персонализированный прогноз.

В результате инженер получает график, который позволяет увидеть, как глубоко прорастет ткань. Он показывает, как это произойдет в реальности, с учетом существующих биологических ограничений. Опираясь на эти данные, инженеры могут проводить более точные расчеты итоговой прочности всей конструкции и учитывать их при проектировании протезов.

— Достоверность модели определяется тем, что ее расчеты учитывают реальные данные. При ее создании мы опирались на архивные компьютерные томограммы пациентов, перенесших эндопротезирование. Мы использовали снимки, сделанные в первые 90 дней после операции (именно в этот период формируется новая костная ткань), где видно, как выглядит внутренняя структура материала, сколько в нем остается открытых и закрытых пор. Это означает, что модель учитывает показатели реального биологического процесса, а ее расчеты максимально приближены к тому, что на самом деле происходит в организме пациента, — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.

В отличие от существующих упрощенных подходов, которые до сих пор используются и предполагают, что кость просто заполняет все пустоты, новая модель более приближена к реальности. Она учитывает критически важные факторы процесса врастания ткани, что позволит получать гораздо более точные и надежные прогнозы о прочности имплантата и его долговечности. Теперь инженеры могут точно рассчитать, насколько прочным станет протез после того, как в него врастет кость, и спрогнозировать, сколько лет он прослужит пациенту.