Российские ученые разработали технологию аддитивного производства биомиметических имплантатов с заданной проницаемостью

Ученые Сколковского института науки и технологий совместно с коллегами из НИТУ «МИСиС» и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПбГМТУ) опубликовали результаты исследований по 3D-печати биомиметических имплантатов. Цель — получить имплантаты со свойствами, полностью соответствующими настоящим органам и тканям человека, сообщает пресс-служба Сколтеха.

Экспериментальная установка для измерения проницаемости и образец с пористой структурой

За счет повторения структуры и механических свойств тканей или органов биомиметические имплантаты приживаются лучше. Это помогает упрощать и ускорять восстановление пациентов после операций.

«Если механические свойства имплантата не совпадают со свойствами костной ткани в местах их соединения, например в случае повышенной жесткости имплантата, то нагруженное состояние кости изменится, из-за чего ткань, по закону Вольфа, станет более хрупкой», — рассказал один авторов исследования, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Чернышихин.

Научная группа решала задачу по созданию биомиметического имплантата из никелида титана — материала, в котором реализуется свойство сверхупругости. Кривые «напряжение-деформация» реальной кости и этого материала в сверхупругом состоянии близки, но никелид титана жестче. Для снижения жесткости исследователи повышали пористость материала.

«Раньше это делали с помощью таких методов, как самораспространяющийся высокотемпературный синтез, а сейчас нам доступны новые технологии 3D-печати, которые полностью изменили подход к задаче. С помощью селективного лазерного плавления мы можем изготовить упорядоченную пористую структуру, измерить ее механические свойства и в будущем контролировать их, то есть адаптировать механические свойства имплантата под кость пациента путем вариации пористости и размера пор еще на этапе дизайна. Дополнительное преимущество подхода заключается в возможности моделирования и изготовления имплантатов с градиентными пористыми структурами: если нужна жесткость больше, пористость уменьшается, и наоборот», — пояснил Станислав Чернышихин.

Имплантат кости в области носовой перегородки

Пористость также способствует проницаемости, важной для транспорта питательных веществ в костях.

«Необходимое условие правильного функционирования имплантата — возможность осуществления транспорта веществ по внутренним каналам. Сейчас в основном уделяют внимание механическим свойствам имплантата, но он должен не только нести нагрузку. Мы предлагаем развивать этот подход и работать также над другими свойствами. В этом исследовании мы сосредоточились на проницаемости», — рассказал соавтор исследования, аспирант Сколтеха Алексей Шиверский.

С использованием технологии селективного лазерного плавления исследователи изготовили из порошка никелида титана пористые структуры на основе элементарной ячейки гироида и измеряли в них проницаемость структур с разной пористостью. Теоретическую модель разработал аспирант Сколтеха Билту Махато в ходе совместного исследования с экспертами из других ведущих научных организаций мира.

«Мы использовали модель, разработанную для ламината с волоконным армированием, у которого так же, как и у изготовленной пористой структуры, наблюдался ламинарный поток, подчиняющийся закону Дарси», — рассказал Билту Махато.

Экспериментальной валидацией модели занимался Алексей Шиверский, затем ученые провели испытания 3D-печатных имплантатов на биосовместимость.

«Наши коллеги из Самарского медицинского университета брали небольшие части дисков с пористыми структурами и помещали их в культуральный раствор с мезенхимальными стволовыми клетками человека. Велись наблюдения, как клетки прикрепляются к поверхности, могут ли они делиться, прорастать в эти имплантаты. Результаты показали, что чем больше удельная поверхность имплантата, тем легче клетки закрепляются на них, но при этом чем больше пористость, тем лучше будет транспорт веществ и тем лучше они будут расти. Таким образом, лучший результат будет достигнут при учете как можно больших факторов, таких как механические свойства, проницаемость, удельная поверхность и так далее», — рассказал Станислав Чернышихин.

Прикрепление клеток к поверхности образца и их пролиферация

Теперь ученые могут проектировать имплантаты, сопоставимые с реальными костями не только по механическим свойствам, но и по проницаемости. Исследователи уже завершили следующий этап работ совместно с коллегами из лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Томского государственного университета: восстановили методом томографии форму отсутствующей части кости пациента, которому предстоит краниопластическая операция в области носовой перегородки. Ученые Сколтеха сделали дизайн пористой структуры будущего тканевоклеточного каркаса, сформированного ячейками гироидального типа, и произвели 3D-печать имплантата из нитинола. Имплантат передан сибирским ученым.

Результаты исследования опубликованы в издании International Journal of Bioprinting.

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.