Ученые ПНИПУ: микротрещины композитных протезов улучшают срастание с костью
Микроповреждения установленных пациентам эндопротезов из углеродных композитов помогают им срастаться с костной тканью организма. Такое открытие сделали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) в ходе моделирования данного процесса, 12 мая сообщает пресс-служба вуза.
Травмы или возрастные изменения костной ткани тазобедренного сустава человека, вызванные остеопорозом, могут приводить к сильным болям при ходьбе, что требует в ряде случаев частичной замены сустава эндопротезом.
В последнее годы такие имплантаты всё чаще изготавливают из углеродного композита, имеющего в отличие от металла, применяемого для изготовления протезов, более высокие характеристики биосовместимости, т. е. приживаемости, в организме.
Матрица углеродного композита такого имплантата, состоящая из кристаллитов, неоднородна, и случайные экстремальные нагрузки, например, сильные толчки и бег, могут приводить к появлению микроповреждений эндопротеза.
Исследования ученых ПНИПУ показали способность поверхности имплантата из углеродного композита взаимодействовать с кровью пациента, притягивая ее тромбоциты, отвечающие за свертывание, и белок фибриноген, который скрепляет их в плотную сеть. Эти процессы приводят к образованию вокруг искусственного сустава кровяного сгустка, который позволяет ему срастаться с организмом.
Тазобедренный сустав — один из наиболее нагруженных в теле человека, и экстремальные нагрузки (бег или толчки) приводят к микроповреждениям материала протеза, которые увеличивают его проницаемость, и постоянно образующиеся в организме клетки костной ткани (остеобласты) могут «просачиваться» вглубь имплантата, что восстанавливает его несущую способность и помогает ему срастись с организмом.
Обработав данные компьютерной томографии, ученые Пермского Политеха разработали цифровые пространственные модели костей таза и бедра и эндопротеза. При этом они, согласно данным прошлых исследований, на ножке протеза выделили четыре зоны, наиболее подверженные возникновению микроповреждений.
Младший научный сотрудник кафедры механики композиционных материалов и конструкций Егор Разумовский рассказал о проведенном исследовании:
«Чтобы понять, как поведет себя протез с деформациями, мы провели сложные компьютерные расчеты в два этапа. Сначала представили, как изменится материал протеза, когда в его поры врастут новые костные клетки (остеобласты). Затем, используя программу Ansys Material Designer, рассчитали, насколько прочным станет протез с таким „усилением“. Для проверки результатов создали на компьютере виртуальную модель системы „скелет — протез“ и смоделировали, как имплантат будет вести себя при нагрузке, сравнимой с той, что возникает при ходьбе, беге, толчках».
Расчеты позволили ученым построить карту распределения напряжений и деформаций в протезе, которая помогла оценить изменения прочности имплантата от степени его «обрастания костной тканью».
Доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шавшуков дополнил:
«После проникновения клеток костной ткани в поры эндопротеза происходит ангиогенез — прорастание сосудов, обеспечивающих кровоснабжение и метаболизм новообразованной кости. Далее формируется белковая структура, образуется сгусток, и в завершение создается костно-углеродный каркас. Это частично восстанавливает упругие свойства материала и может блокировать дальнейшее распространение повреждений».
Моделирование остеоинтеграции эндопротеза показало сокращение зон с высокими напряжениями в 5,5 раза. То есть происходит более равномерная передача нагрузки костью, что позволяет человеку активнее двигаться. Кроме того, отпадает необходимость замены имплантата раньше времени за счет повышения его долговечности вследствие остеоинтеграции.
Это особенно важно, когда пациент ведет активный образ жизни, так как незаметно возникающие в этом случае повреждения материала эндопротеза впоследствии компенсируются биологическими процессами в организме.
Результаты исследования пермских ученых были представлены в статье «Моделирование in vitro нагружения эндопротеза тазобедренного сустава из углерод-углеродных композиционных материалов с поврежденными областями», опубликованной в Russian Journal of Biomechanics, 2024 год, № 2.
