Пермские ученые определили оптимальную структуру 3D-печатных костных имплантатов

В России ежегодно регистрируются 120-150 тысяч сложных переломов, 10-15 % которых требуют непростой реконструкции. Традиционные методы, такие как пересадка тканей, имеют недостатки — риск отторжения, нехватку донорского материала и сложность подбора. Альтернатива — биоразлагаемые 3D-печатные скаффолды, поддерживающие кость и не требующие извлечения, однако они часто слишком жесткие или не повторяют естественную структуру, что может вызвать атрофию соседних тканей или поломку каркасов. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета нашли конструкцию скаффолда, на 92,53 % соответствующую архитектуре человеческой кости, обеспечивающую естественное распределение нагрузок и ускоряющую восстановление.

При переломах, артрозах или после сложных операций для восстановления костей используют 3D-печатные скаффолды — временные пористые каркасы из биорастворяемых материалов, например полилактида. Отверстия и ячейки в каркасах нужны для правильного прорастания клеток, доставки питательных веществ и кислорода. Восстанавливающиеся кости постепенно заменяют собой скаффолды, растворяющиеся в организме по мере выздоровления. Это помогает избегать 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 возникать 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 модулем 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», — рассказала младшая научная сотрудница лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Юлия Пирогова.

Ученые Пермского политеха изготовили на 3D-принтере образцы каркасов из полилактида, провели испытания на сжатие и сравнили результаты с показателями настоящих костных тканей, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science.

Существуют общепринятые инженерные подходы создания скаффолдов. Выделяют три основных — гироидные структуры, диаграммы Вороного и BCC-решетки, отличающиеся распределением внутренних пористых структур. Например, строение гироидных скаффолдов напоминает природные изогнутые формы, как пчелиные соты или мыльная пена, а каркасы Вороного похожи на переплетенные волны. Задача ученых Пермского политеха состояла в оценке разных структур на максимальное соответствие костям человека по жесткости.

«Образцы скаффолдов сжимали под нагрузкой для имитации воздействия веса, чтобы проверить сходство с архитектурой натуральной кости. 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 означает, что каркас Вороного — наиболее подходящий по жесткости, и за счет этого кость практически не будет ощущать имплантат», — пояснил младший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Илья Виндокуров.

«Мы также изучили поведение скаффолдов при нагрузке 4000 Н. 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», — рассказал заведующий лабораторией механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Наиболее близкий к натуральной кости модуль упругости показал каркас Вороного — 766,21 МПа, при этом показатель геометрической реализации реального биологического материала — 765, 98 МПа. Результаты позволяют говорить о том, что этот вид скаффолдов соответствует костному материалу почти на 99% и наиболее эффективно способствует восстановлению тканей.

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

Исследование проведено по заданию Министерства науки и высшего образования России, результаты опубликованы в журнале Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.