Ученые ПНИПУ улучшили проектирование биоразлагаемых костных имплантатов

Экспериментальные исследования поведения биоразлагаемых полимерных имплантатов в физиологических средах, результаты которых позволяют повысить точность и эффективность их проектирования, провели специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 14 января сообщила пресс-служба вуза.

Одним из наиболее перспективных в настоящее время подходов регенеративной медицины по восстановлению дефектов костных тканей является использование биоразлагаемых полимерных каркасов (скаффолдов). Они особо востребованы в ортопедии, травматологии, хирургии, стоматологии и нейроонкологии.

Новые возможности для создания таких биосовместимых имплантатов, используемых при восстановлении целостности и первоначальных свойств поврежденной костной ткани пациента, открыли современные аддитивные технологии.

При этом полимерные материалы считаются наиболее перспективными для изготовления таких имплантатов, поскольку обладают хорошей биосовместимостью и способностью к постепенному растворению в организме пациента в ходе их замены тканями организма.

Постепенное разложение в организме имплантированных каркасов, находящихся в физиологической среде, происходит за счет их взаимодействия с окружающими тканями. Скорость этого разрушения необходимо учитывать в процессе эксплуатации имплантатов, так как имплантат должен обладать достаточной механической прочностью.

Процесс регенерации можно ускорить за счет использования в качестве имплантатов пористых структур — скаффолдов. После вживления в организм пациента на внутренней поверхности такого полимерного имплантата начинаются одновременно два процесса — формирование костной ткани и постепенная деградация скаффолда. Успешное восстановление костной ткани возможно тогда, когда скорости этих процессов сопоставимы друг с другом.

Скорость процесса деградации определяется биохимическими свойствами материала, внутренней структурой каркаса и нагруженностью в ходе эксплуатации. Сложную архитектуру имплантата разрабатывают под индивидуальные особенности конкретного пациента, поэтому скорость разложения разных имплантатов будет различной. При изготовлении протеза необходимо прогнозировать процесс деградации еще на этапе проектирования.

Для этого учеными Пермского Политеха и их коллегами из Донского государственного технического университета было проведено исследование цельных образцов из полимерных материалов и прототипов скаффолдов, изготовленных с помощью аддитивных технологий.

Образцы выдерживались в жидкости, имитирующей физиологическую среду и температуру в организме человека, в течение от 3 до 14 дней при различных температурах. В ходе эксперимента проводилась микрокомпьютерная томография прототипов, которая показала наличие эрозии поверхности, происходящей уже на ранних стадиях воздействия.

В реальных же условиях, когда в организме происходит циркуляция жидкости, эта деградация будет происходить быстрее, что необходимо учитывать на этапе проектирования.

Младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Наталия Еленская рассказала о ходе эксперимента:

«При 37 °C снижение свойств цельных образцов составило не более 16%, а для скаффолдов — всего 4%. При повышенной температуре 45 °C эти показатели составили 47% и 16%, соответственно. Это означает, что механические свойства полимерных каркасов снижаются медленнее, поскольку характеристики таких структур определяются не только свойствами материала, но и особенностями внутренней архитектуры».

Заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов прокомментировал результаты проделанной работы:

«Полученные новые данные расширяют наше представление о механизмах резорбции, протекающих в таких конструкциях, а значит, и наши возможности по контролю этого процесса. Результаты исследования полезны для разработки полимерных костных имплантатов с учетом влияния процесса деградации на их структурную целостность».

Результаты были представлены в статье «Экспериментальная оценка влияния деградации на механическое поведение и морфометрические характеристики функционально дифференцированных полимерных каркасов» (Experimental Evaluation of the Effect of Degradation on the Mechanical Behavior and Morphometric Characteristics of Functionally Graded Polymer Scaffolds), опубликованной в журнале Polymers № 16 за 2024 год.

Проведенное учеными пермского Политеха исследование поможет проектировать более надежные и безопасные имплантаты для восстановления костных тканей пациента без повторного хирургического вмешательства.