В России ежегодно регистрируется 120-150 тысяч сложных переломов, 10-15% из которых требуют тяжелой реконструкции. Традиционные методы восстановления костей, такие как пересадка тканей, имеют ограничения: риск отторжения, недостаток донорского материала и сложность в индивидуальном подборе. Поэтому в таких случаях прибегают к использованию биоразлагаемых каркасов или «скаффолдов». Они вживляются внутрь для поддержки кости и не требуют хирургического вмешательства для извлечения, однако тоже имеют свои недостатки. Часто каркасы оказываются слишком жесткими или не повторяют естественную структуру тканей. Это может спровоцировать атрофию соседствующих с ними костей, поломку самих скаффолдов и замедлить выздоровление в целом. Идеальный каркас имитирует свойства натуральной кости, чтобы нагрузка распределялась естественно, а ткань регенерировалась без осложнений. Ученые Пермского Политеха изучили разные конструкции и методы создания скаффолдов и нашли тот, который на 92,53% соответствует архитектуре кости человека.
Статья опубликована в журнале «Biomechanics and Modeling in Mechanobiology». Исследование проведено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований.
При переломах, артрозах или после сложных операций для восстановления костей используют скаффолды — временные каркасы из биорастворяемого материала, например, полилактида. Их изготавливают на 3D-принтере, чтобы создать внутри пористую структуру. Отверстия и ячейки в каркасах нужны для правильного прорастания клеток, доставки питательных веществ и кислорода. Регенерирующая кость пациента постепенно заменяет собой скаффолд, а он растворяется в организме по мере выздоровления пациента. Это позволяет избежать повторных хирургических вмешательств.
Одно из главных требований к таким каркасам — они не должны уступать тканям по жесткости. Если имплантат слишком мягкий, он не выдержит нагрузки, которые обычно принимает реальная кость — вес тела, движение и т.д. Из-за этого могут возникнуть деформации, микротрещины или преждевременное разрушение скаффолда до восстановления тканей. Ухудшится сам процесс срастания и увеличится риск воспаления.
— Показатель, который определяет, насколько кость жесткая и сопротивляется деформации под нагрузкой, называется «модуль упругости». Для правильного процесса выздоровления модуль упругости скаффолда должен быть схож с натуральной костью. Это зависит, в том числе, от вида имплантата, который вживляют пациенту, — комментирует Юлия Пирогова , аспирант , младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ .
Ученые Пермского Политеха изготовили на 3D-принтере образцы каркасов из полилактида по основным применяемым методикам. Их подвергали сжатию и сравнивали с настоящей костной тканью.
Существуют общепринятые инженерные подходы создания скаффолдов. Выделяют три основных: гироидные структуры, диаграммы Вороного и BCC-решетки. Их отличие в распределении пористых структур внутри. Так, например, строение гироидных скаффолдов напоминает природные изогнутые формы, как пчелиные соты или мыльная пена, каркасы Вороного похожи на переплетенные волны.
Задача ученых Пермского Политеха состояла в том, чтобы выявить, какие из них больше всего соответствуют костям человека по жесткости, а значит — наиболее эффективно справятся с восстановлением тканей.
— Образцы скаффолдов сжимали под нагрузкой для имитации воздействия веса, чтобы проверить сходство с архитектурой натуральной кости. Так, эффективный модуль упругости аддитивно изготовленной модели губчатой кости = 765,98 МПа. У каркаса Вороного — 766,21 МПа, у гироидного — 726,47 МПа, а ВСС-решетка показала значение в 469,04 МПа. Это значит, что каркас Вороного — наиболее подходящий по жесткости, и за счет этого кость практически не будет «ощущать» имплантат, — поясняет Илья Виндокуров , младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ .
— Мы также изучили поведение скаффолдов при нагрузке 4000 Н (≈400 кг). Это примерная максимальная нагрузка на бедренную кость при ходьбе или прыжке у взрослого человека. После численного эксперимента доля разрушенных элементов составила у гироидных каркасов 1,2%, у Вороного до 5%, а у ВСС — 7,1%. С этой точки зрения можно сказать, что гироидные структуры и структуры на основе решеток Вороного лучше распределяют нагрузку, чем BCC-решетки, — рассказывает Михаил Ташкинов , заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ , кандидат физико-математических наук .
Исследование ученых Пермского Политеха помогло определить типы каркасов, обладающие наибольшей жесткостью и схожие с человеческой костью. Так, наиболее близкий к натуральной кости модуль упругости показал каркас Вороного — 766,21 МПа. При этом показатель геометрической реализации реального биологического материала — 765, 98 МПа. Такие результаты позволяют говорить о том, что этот вид скаффолдов соответствует костному материалу почти на 99% и более эффективно позволяет тканям восстанавливаться.
Разработанные в лаборатории структуры могут стать основой для персонализированных имплантатов, ускоряющих заживление костей и снижающих риск осложнений. Правильный выбор каркасов поможет снизить риск отторжения имплантатов и ускорить реабилитацию пациентов. Результаты исследования будут полезны в медицине и биомедицинской инженерии.
