Учёных провели исследования по созданию технологии производства биомиметических имплантатов с заданной проницаемостью
Группа учёных из «Сколтеха», Национального исследовательского технологического университета МИСИС и Санкт‑Петербургского государственного морского технического университета провели исследования, связанное с проницаемостью биомиметических имплантатов. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Bioprinting. Об этом информационной службе Хабра рассказали в пресс‑службе «Сколтеха».
По словам исследователей, цель дизайна биомиметических имплантатов — это получение свойств, полностью соответствующих реальным органам и тканям человека. За счёт повторения структуры и механических свойств, утративших свою функцию, тканей или органов биомиметические имплантаты приживаются лучше. Это помогает упростить и ускорить восстановление пациентов после операций.
Как подчёркивает первый автор исследования, аспирант Центра технологий материалов «Сколтеха» Станислав Чернышихин, если механические свойства имплантата не совпадают со свойствами костной ткани в местах их соединения, например, в случае повышенной жёсткости имплантата, то нагруженное состояние кости изменится, из‑за чего ткань, по закону Вольфа, станет более хрупкой. В исследованиях учёные решали комплексную задачу по созданию биомиметического имплантата из никелида титана.
Никелид титана — это материал, в котором реализуется свойство сверхупругости. Кривые напряжение‑деформация реальной кости и этого материала в сверхупругом состоянии близки, но никелид титана жёстче. Чтобы уменьшить жёсткость, в материал добавляли пористость. Станислав Чернышихин рассказал, что раньше это делали с помощью таких методов, как самораспространяющийся высокотемпературный синтез, а сейчас доступны новые технологии 3D‑печати, изменившие подход к задаче.
С помощью селективного лазерного плавления специалисты могут изготовить упорядоченную пористую структуру, измерить её механические свойства и в будущем контролировать их. Такие действия дают возможность адаптировать механические свойства имплантата под кость пациента путём вариации пористости и размера пор ещё на этапе дизайна. Дополнительное преимущество подхода заключается в моделировании и изготовлении имплантатов с градиентными пористыми структурами: если нужна жёсткость больше, пористость уменьшается, и наоборот.
Алексей Шиверский
Соавтор исследования и аспирант «Сколтеха»
«Необходимое условие правильного функционирования имплантата — возможность осуществления транспорта веществ по внутренним каналам. Сейчас в основном уделяют внимание механическим свойствам имплантата, но он должен не только нести нагрузку. Мы предлагаем развивать этот подход и работать также над другими свойствами. В этом исследовании мы сосредоточились на проницаемости».
С использованием технологии селективного лазерного плавления исследователи изготовили из порошка никелида титана пористые структуры на основе элементарной ячейки гироида и измеряли в них проницаемость для разного размера пор и разной пористости. Группа учёных использовала модель, разработанную для ламината с волоконным армированием, у которого так же, как и у изготовленной пористой структуры, наблюдался ламинарный поток, подчиняющийся закону Дарси. Также исследователи провели тест напечатанных имплантатов на биосовместимость.
Станислав Чернышихин
Первый автор исследования, аспирант Центра технологий материалов «Сколтеха»
«Наши коллеги из Самарского медицинского университета брали небольшие части дисков с пористыми структурами и помещали их в культуральный раствор с мезенхимальными стволовыми клетками человека. Велись наблюдения, как клетки прикрепляются к поверхности, могут ли они делиться, прорастать в эти имплантаты. Результаты показали, что чем больше удельная поверхность имплантата, тем легче клетки закрепляются на них, но при этом чем больше пористость, тем лучше будет транспорт веществ и тем лучше они будут расти. Таким образом, лучший результат будет достигнут при учёте как можно больших факторов, таких как механические свойства, проницаемость, удельная поверхность и так далее».
Учёные утверждают, что благодаря их исследованию можно проектировать имплантат, сопоставимый с реальной костью не только по механическим свойствам, но и по проницаемости. Исследователи завершили следующий этап работ совместно с коллегами из лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Томского государственного университета. Методом томографии специалисты восстановили форму отсутствующей части кости пациента, которому предстоит краниопластическая операция в области носовой перегородки. Учёные «Сколтеха» сделали дизайн пористой структуры будущего тканевоклеточного каркаса, сформированного ячейками гироидального типа, и произвели 3D‑печать имплантата из нитинола. Новый имплантат будет передан томским учёным.
