В Пермском политехе изучили 3D-печать костных имплантатов с градиентными структурами

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали 3D-печатные скаффолды с градиентными структурами, предназначенные для замещения поврежденных костных тканей, сообщает пресс-служба вуза на портале «Научная Россия». Изученный подход позволяет настраивать свойства скаффолдов таким образом, чтобы имплантаты в наибольшей степени соответствовали участкам, которым требуется замена.

Цель любого имплантата — восстановить целостность ткани или заменить утраченную. Важно, чтобы он находился в стабильном контакте с окружающими тканями и не вызывал патологические реакции. Аддитивные технологии позволяют производить такие имплантаты для костей — скаффолды. Их задача — имитировать структуру, свойства и функции живых тканей, а также оказывать механическую поддержку клеткам. Эти требования накладывают ограничения на имплантаты: они должны обладать нужной пористостью и свойствами, аналогичными человеческой кости. 

Форма скаффолдов, разработанных учеными Пермского политеха, способствует созданию условий для наилучшего прикрепления, миграции и деления клеток. Структуры хорошо имитируют естественную кость по характеристикам пористости, коэффициентам сжатия и проницаемости. Они сочетают низкий модуль упругости с высоким пределом текучести.

Свойства, используемые при моделировании, получены в результате испытаний на сжатие. Для экспериментальных исследований ученые изготовили с помощью 3D-печати прототипы каждой разработанной модели из полилактида — распространенного и доступного биосовместимого материала. 

Сложное строение костных тканей в разработанных скаффолдах достигается за счет градиентных структур с непрерывным изменением механических свойств. Это позволяет избегать образования зон концентрации напряжений, которые могут привести к разрушению костных тканей.

В зависимости от нужных свойств скаффолда можно использовать несколько типов градиентов: пористости, характерного размера ячейки или морфологии. Градиент пористости предполагает постепенное изменение объемной доли пор в элементарной ячейке. Такой подход может быть хорошим решением при проектировании скаффолдов с меньшей пористостью к большей без изменения геометрии элементарных ячеек.

Скаффолды пермских ученых эффективны на границе раздела различных типов тканей. Например, при восстановлении поврежденного участка, включающего трабекулярную и кортикальную костные ткани. Трабекулярную ткань по-другому называют губчатой, она нужна для укрепления органов. Кортикальная — более прочная, она отвечает за опору и защиту органов.

«Для замещения поврежденной трабекулярной кости требуются скаффолды с высокой пористостью — около 50-80%, а для замещения кортикальной — с низкой, 10-30%. Предлагаемые структуры сочетают в себе элементы, соответствующие обоим параметрам. Они имеют контролируемый градиентный переход от одного типа геометрии элементарной ячейки к другому при заданной пористости», — рассказал ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Предложенный учеными Пермского политеха подход может стать эффективным инструментом проектирования. В дальнейшем он может быть распространен на разработку скаффолдов с нанокомпозитной структурой. Это позволит оценивать механическое поведение мультиморфологических скаффолдов на различных уровнях. Развитие исследования позволит приблизить дизайн скаффолдов к структуре человеческих костей, что положительно скажется на процессах регенерации костных тканей при различных заболеваниях и повреждениях.

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.