Цель любого имплантата – восстановить целостность ткани или заменить утраченную. Важно, чтобы он находился в стабильном контакте с окружающими тканями и не вызывал патологических реакций. Аддитивные технологии (создание изделий слой за слоем) позволяют производить такие имплантаты для костей – скаффолды. Их задача – имитировать структуру, свойства и функции живой ткани, а также оказывать механическую поддержку для клеток. Эти требования накладывают ограничения на имплантаты: они должны обладать нужной пористостью и свойствами, аналогичными человеческой кости. Ученые ПНИПУ разработали градиентные структуры скаффолдов, предназначенные для замещения поврежденных костных тканей. Преимущество их подхода заключается в том, что он позволяет настраивать свойства скаффолда таким образом, чтобы имплантат в наибольшей степени соответствовал участку, которому требуется замена.
3D-прототипы каждой спроектированной модели, увеличенные в 5 раз. Источник фото: пресс-служба Пермского Политеха
Исследование опубликовано в журнале Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, выпуск 147. Разработка проведена в рамках программы мегагрантов, соглашение № 075-15-2021-578.
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 с помощью трехмерной печати изготовили прототипы каждой разработанной модели из полилактида – биосовместимого материала, распространенного и доступного для аддитивного производства.
Сложное строение костной ткани достигается в разработанных скаффолдах за счет градиентной структуры с непрерывным изменением механических свойств. Это позволяет избежать зон концентрации напряжений, которые могут привести к разрушению костной ткани.
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 скаффолда с меньшей пористостью к большей без изменения геометрии элементарной ячейки.
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. А вот кортикальная – более прочная, 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, – комментирует кандидат физико-математических наук, 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 оценить механическое поведение мультиморфологических скаффолдов на различных уровнях. Развитие исследования позволит приблизить дизайн скаффолда к структуре человеческих костей, что позволит качественно их замещать и положительно скажется на процессах регенерации костных тканей при различных заболеваниях и повреждениях.
Источник информации и фото: пресс-служба Пермского Политеха