Костная ткань человека обладает сложной пористой структурой, идеально адаптированной к нагрузкам. Однако при серьезных травмах она не всегда способна к регенерации, что требует замены участка имплантатом. Создать такой искусственный аналог сложно: он должен быть одновременно устойчивым к внешнему давлению, как натуральная кость, и иметь пористую структуру для прорастания клеток и сосудов. Существующие технологии не позволяют одновременно удовлетворить оба требования — традиционные методы создания простых геометрий и современное 3D-моделирование либо дают прочность без оптимальной биосовместимости, либо наоборот. В результате вживленные конструкции часто отторгаются, что ведет к повторным операциям и увеличивает сроки восстановления. Разработчики из Пермского Политеха создали «цифровой конструктор», предназначенный для формирования скаффолдов. Он позволяет одновременно регулировать как механические характеристики, так и геометрию создаваемых структур. Это обеспечивает оптимальное сочетание прочности и биосовместимости, что критически важно для успешной интеграции имплантатов и уменьшения времени восстановления.
Результаты исследований опубликованы в статье. Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования.
Костная ткань – это биологический материал, формирующий кости человека. Ее сложная, пористая структура, состоящая из микроскопических перекладин-трабекул, оптимально подходит для выдерживания ежедневных нагрузок и обеспечивает поддерживающую среду для клеток и кровеносных сосудов. Однако при значительных травмах и заболеваниях кость не всегда способна к самостоятельному восстановлению. В подобных ситуациях необходима замена поврежденного участка.
Создание искусственного заменителя костной ткани представляет собой сложную задачу. Идеальный имплантат, или «скаффолд» (искусственный каркас для регенерации тканей), должен решать две основные задачи: в первую очередь, обладать достаточной механической прочностью для выдерживания нагрузки, подобно натуральной кости, а во-вторых, иметь подходящую пористую структуру, обеспечивающую возможность прорастания клеток и сосудов, что со временем приведет к преобразованию искусственного каркаса в живую ткань.
Тем не менее, имеющиеся технологии разработки каркасов не всегда способны одновременно решать обе эти задачи. Для создания костных имплантатов на сегодняшний день используются различные методы. Ранее инженеры создавали конструкции с простой формой пор. В настоящее время доступны и более совершенные программы для трехмерного моделирования, позволяющие формировать сложные решетчатые структуры. Однако у этих методов есть свои ограничения: некоторые из них позволяют создать прочную конструкцию, но не обеспечивают оптимальных условий для роста клеток и сосудов; другие хорошо воспроизводят биологические процессы, но не способны выдерживать механические нагрузки в организме.
Такие методы имеют важное ограничение: они не могут одновременно учитывать индивидуальную структуру кости пациента и гарантировать оптимальное сочетание прочности и биосовместимости. Поэтому искусственные имплантаты нередко плохо приживаются или не обеспечивают полное выполнение своих задач, что влечет за собой необходимость проведения дополнительных хирургических вмешательств и увеличивает период восстановления пациентов.
Специалисты Пермского Политеха представили новое решение для этой задачи. Они создали «цифровой конструктор», предназначенный для изготовления искусственных костей.
Данная компьютерная программа позволяет специалистам разрабатывать трехмерные модели имплантатов, применяя для этого сложные математические расчеты. На их основе были спроектированы и проанализированы различные типы структур, включая гироидные, алмазные и примитивные, которые максимально точно воспроизводят строение естественной костной ткани. Важным преимуществом технологии является простота настройки параметров конструкции с учетом анатомических и биомеханических характеристик конкретного пациента. Благодаря такому подходу удается создавать искусственные кости, которые организм принимает за собственные.
— Основная трудность, свойственная традиционным скаффолдам, заключается в их упрощенной внутренней структуре. Поскольку они не воспроизводят сложную пористую организацию естественной кости, возникают две значительные проблемы: недостаточное сращение с окружающими тканями и появление эффекта стресс-экранирования, при котором имплантат принимает на себя всю нагрузку, а прилегающие костные участки постепенно истончаются, — пояснила Наталия Еленская — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ .
Предлагаемая технология решает обозначенные проблемы, поскольку она точно имитирует естественную структуру костной ткани. Для этого программа проводит анализ данных компьютерной томографии пациента, определяя среднюю толщину костных перегородок и общий уровень пористости. В рамках исследования ученые использовали эталонную модель большеберцовой кости, для которой эти показатели составили 0,53 мм и 55,2% соответственно. Разработанный алгоритм автоматически выбирает геометрию «виртуальных кубиков», чтобы их параметры соответствовали эталонным, что позволяет создать точную биомеханическую копию.
— Предлагаемый нами метод позволяет контролировать основные характеристики имплантата: размеры и конфигурацию пор, толщину внутренних перегородок, общую плотность структуры. Благодаря этому создаются наилучшие условия для роста кровеносных сосудов и костных клеток, а также для равномерного распределения механической нагрузки, — объяснил Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук .
Специалисты также протестировали скаффолд в виртуальной среде. Они изучили поведение различных моделей при воздействии давления и скручивающих нагрузок, чтобы определить наиболее устойчивую и надёжную конструкцию.
— Используя компьютерное моделирование, удалось выявить наилучшие характеристики микроструктуры имплантата — форму и размеры внутренних пор и перегородок. Это позволяет не только достичь механической прочности, сопоставимой с естественной костной тканью, но и создать благоприятную среду для восстановления тканей, — по словам Михаил Ташкинов.
Данные результаты позволяют использовать разработанную технологию для терапии сложных переломов, регенерации костной ткани после удаления опухолей или повреждений, а также в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии для восполнения объема кости.
Прошла стадия компьютерного моделирования, и теперь можно переходить к доклиническим испытаниям. Применение стандартных промышленных деталей и проверенных технологий 3D-печати делает данное решение экономически выгодным для использования в медицинских организациях разного типа. В будущем это способно существенно преобразовать методы лечения повреждений и болезней костной ткани по всему миру.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ