Ученые ДГТУ разрабатывают скаффолды для замещения костной ткани

Научный коллектив Донского государственного технического университета занимается разработкой полимерных скаффолдов, по свойствам приближенных к костным тканям и обеспечивающих достаточную прочность для физиологических нагрузок. Чтобы преодолеть недостатки традиционных методов лечения с использованием донорских костных тканей, таких как ограниченная доступность, потенциальная передача заболеваний и отторжение инородных тел, разрабатываются синтетические материалы и методики, включающие 3D-печать.

Исследования с использованием методов математического моделирования ведутся под руководством профессора кафедры теоретической и прикладной механики Сергея Айзиковича. Разработка может быть использована для восстановления костных тканей человека при различных повреждениях и по сути является продолжением успешно завершенного в 2022 году исследования под руководством профессора Майкла Суэйна, посвященного биомеханическим исследованиям материалов для имплантации, а также твердых и мягких тканей тела человека. В настоящее время очередной набор прототипов скаффолдов проходит лабораторные испытания, сообщает пресс-служба ДГТУ.

«Скаффолды представляют собой трехмерные пористые или волокнистые структуры, предназначенные для использования в качестве механической поддержки для роста клеток и регенерации тканей. В идеале они должны обладать специфическими свойствами, способствующими развитию функциональной костной ткани. Со временем они рассасываются, и костная ткань пациента восстанавливается. Скаффолды позволяют замещать участок кости с сохранением микрогеометрических параметров кости пациента», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов ДГТУ Евгений Садырин.

Используя нейросети, разработанные партнерами по проекту, исследователями из тайваньского Национального университета Чхэн-Кхуна под руководством профессора Юньчхэ Вона, ученые создали методику определения эффективных свойств архитектурных решетчатых материалов с учетом упругого, термоупругого и пластического поведения при разных нагрузках. Построены математические модели для исследования поверхностных свойств материалов, в частности микропористых.

«Необходим высокий уровень связывания каркаса с органическими тканями для успешного завершения всех этапов процесса восстановления кости. Скорость этого процесса зависит от следующих факторов: отношения пористости каркаса к пористости кости, шероховатости наружной поверхности каркаса, совместимости материала имплантата с костной тканью и химического состава каркаса», — рассказал Евгений Садырин.

По словам Евгения Садырина, пористость играет существенную роль в прорастании костных клеток в скаффолды. Основная задача ученых — подбор оптимальных материалов с контролируемой микроструктурой.

«Основная сложность нашей задачи состоит в том, чтобы сделать из полимера изделие, способное выдерживать физиологические нагрузки кости человека, при этом в будущем обеспечивая контролируемую биорезорбируемость, то есть рассасывание с одновременным замещением костными клетками пациента. Для этого нужно тщательно оптимизировать структуру и свойства биосовместимых материалов и конструкций с целью достижения их механической совместимости с окружающими тканями пациента, чтобы избежать некроза тканей», — пояснил Евгений Садырин.

В ходе исследования свойства полимерного материала и костной ткани характеризуются с использованием наноиндентирования — специальной методики, позволяющей изучать механические свойства путем внедрения особого зонда (индентора) в материал. Способность скаффолда с заданной микроструктурой выдерживать физиологические нагрузки проверяется в ходе испытаний на сжатие внутри рентгеновского компьютерного микротомографа. С помощью устройства можно наблюдать деформирование материала в реальном времени. Исследователи изучили, как разные структуры заполнения с различными параметрами стенок выдерживают различную нагрузку.

«Математическое моделирование позволяет прогнозировать механическое поведение скаффолда в зависимости от ряда параметров и оптимизировать его структуру, чтобы в конечном итоге получить изделие с желаемыми свойствами. Одной из особенностей исследования является то, что данные для математического моделирования берутся из реальных экспериментов, проводимых в нашей лаборатории», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов Роман Кароткиян.

Исследования проводятся на грант Российского научного фонда.

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.