Ведущие специалисты Пермского Политеха (ПНИПУ), среди которых Юлия Пирогова, Илья Виндокуров и Михаил Ташкинов, провели исследование, благодаря которому стало известно, какие типы биорастворяемых скаффолдов из полилактида оптимально подходят для восстановления костной ткани человека. В результате кропотливой работы ученые предложили инженерные решения, которые позволяют с высокой точностью имитировать свойства настоящей кости, делая процесс заживления более быстрым и успешным.
Современные подходы к восстановлению костной ткани
В случае травм, серьезных переломов, артроза или проведения сложных хирургических операций в ортопедии применяют специальные каркасы — скаффолды. Это временные структуры, изготавливаемые из биорастворяемых материалов, таких как полилактид. Технологии 3D-печати позволяют напрямую воссоздавать высокопористые и настраиваемые по свойствам имплантаты, которые способствуют регенерации кости.
Ячейки и поры внутри скаффолда обеспечивают естественное прорастание клеток, хорошую циркуляцию питательных веществ и кислорода. По мере восстановления костной ткани имплантат постепенно рассасывается в организме, сокращая необходимость в дополнительном хирургическом вмешательстве и уменьшая риск осложнений.
Биорастворяемый материал: как работает полилактид?
Полилактид признан одним из самых перспективных материалов для создания скаффолдов благодаря его совместимости с тканями человека, высокой биодеградабельности и способности поддерживать механическую прочность до завершения регенерации. Используя 3D-принтеры, ученые ПНИПУ реализовали несколько основных топологий скаффолдов из полилактида — гироидные конструкции, структуры на основе диаграмм Вороного и BCC-решетки.
Каждая из этих архитектур обладает уникальными характеристиками. Например, гироидные каркасы имитируют изогнутые природные формы, схожие по строению с пчелиными сотами или пузырями мыльной пены, в то время как Вороного напоминают переплетение волн и произвольных поверхностей, а BCC-решетки соответствуют классической кубической структуре металлических кристаллов.
Значение модуля упругости для успеха имплантации
Одно из важнейших свойств успешного скаффолда — модуль упругости, отвечающий за сопротивление материалу деформации при нагрузках. Имплантат должен быть достаточно жестким: если его прочность уступает кости пациента, возможно возникновение деформаций, развития микротрещин и даже преждевременное разрушение каркаса. В результате увеличивается риск воспаления и замедляется восстановление ткани.
Юлия Пирогова, аспирант и младший научный сотрудник ПНИПУ, отмечает, что для ускорения регенерации костей модуль упругости скаффолда должен практически совпадать с модулем натуральной костной ткани. Отклонения в этом показателе существенно влияют на устойчивость и надежность имплантата.
Эксперимент: выбор оптимальной структуры скаффолда
Исследовательская команда Пермского Политеха напечатала на 3D-принтере образцы скаффолдов различных конфигураций. Каркасы подвергались механическим испытаниям на сжатие, что моделировало реальные нагрузки, действующие на кости человека при ходьбе, беге и другой активности. Полученные данные сравнивали с показателями модулей упругости настоящей губчатой кости.
В ходе исследования были получены следующие ключевые результаты по сравниваемым архитектурам:
- Вороного — 766,21 МПа
- Гироид — 726,47 МПа
- BCC-решетка — 469,04 МПа
Для сравнения: модуль упругости реальной губчатой кости человека составляет примерно 765,98 МПа. Таким образом, каркас Вороного вплотную приближен к этому значению, практически не отличаясь от биологического материала.
Илья Виндокуров, младший научный сотрудник ПНИПУ, уточняет, что такая точность подбора обеспечивает минимальное ощущение «чужеродного тела», а значит, кость пациента быстрее и эффективнее регенерирует с минимальными рисками для здоровья.
Поведение скаффолда при экстремальных нагрузках
Важная часть эксперимента — оценка прочности структуры под большими нагрузками, эквивалентными массовой нагрузке около 400 кг (4000 Н), что соответствует пиковым моментам при активных движениях взрослого человека. Михаил Ташкинов, заведующий лабораторией ПНИПУ, сообщил, что, согласно численному анализу, доля разрушенных элементов составила:
- Гироид — 1,2%
- Вороного — до 5%
- BCC-решетка — 7,1%
Эти показатели свидетельствуют о полноценном потенциале гироидных и Вороного-структур в деле распределения экстремальных нагрузок, что особенно важно для крупных костей ног и таза, испытывающих наибольшее давление.
Внедрение инноваций: перспективы для медицины и биоинженерии
Открытие ученых ПНИПУ позволяет говорить о становлении персонализированных подходов к созданию имплантатов для каждого пациента. Применяемые технологии обеспечивают высочайшую схожесть по механическим свойствам с натуральной костной тканью, что не только сокращает срок реабилитации, но и существенно снижает вероятность осложнений, отторжений и дополнительных вмешательств.
Выбор правильного типа скаффолда – ключ к эффективной интеграции протеза в организм. Модели, максимально приближенные по модулю упругости к кости, выступают залогом быстрого восстановления и долгого срока службы имплантата.
Результаты работы исследовательской лаборатории Пермского Политеха находят практическое применение в современной биомедицинской инженерии,омплексно развивая российскую ортопедическую науку, выводя технологии 3D-печати и проектирования биоматериалов на новый уровень. Новые типы скаффолдов из полилактида предоставляют врачам эффективный инструмент для помощи людям с тяжелыми повреждениями костей, делая процесс лечения и восстановления оптимистичным и перспективным.
Такой прогресс говорит о значимости вклада российских ученых в развитие высоких технологий и повышает уровень жизни пациентов, нуждающихся в высокотехнологичной медицинской помощи. Новаторские подходы исследователей ПНИПУ уже сейчас открывают новые горизонты для персонализированной медицины, ускоряя возвращение пациентов к привычному образу жизни без осложнений и ограничений.
Источник: naked-science.ru
