Живая опора: российские инженеры создали технологию имплантатов с регенерацией ткани
Российские инженеры разработали уникальные имплантаты с решетчатой структурой, в которую может врастать собственная костная ткань пациента. Такой подход позволяет создавать протезы под конкретного человека и помогает кости быстрее восстановиться после операции.
Ортопедические имплантаты – один из способов вернуть человеку возможность нормально двигаться после тяжелых травм, переломов, заболеваний суставов и костей. Их используют, когда кость или сустав сильно повреждены и их уже нельзя восстановить обычным лечением. Прежде врачи ставили обычные металлические импланты, однако по своей жесткости и структуре они заметно отличаются от человеческой кости. Из-за этого часть нагрузки, которая должна приходиться на костную ткань, принимал на себя протез. Со временем кость вокруг имплантата ослабевала, а конструкция становилась менее стабильной.
Специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) предложили решить эту проблему на этапе проектирования. Вместо сплошного металлического изделия они создали пространственную решетку из тонких элементов, имитирующих структуру настоящей кости. Она все так же остается прочной, но внутри имплантата появляются пустоты, в которые постепенно врастает собственная костная ткань.
Имплантат как каркас
Такие конструкции относятся к мета-биоматериалам – материалам, свойства которых задаются не только составом, но и внутренней геометрией. Проще говоря, инженеры могут менять форму решетки и тем самым управлять ее механическими характеристиками.
Для медицинского изделия это особенно важно. Жесткость имплантата можно подобрать так, чтобы нагрузка при ходьбе или других движениях распределялась ближе к естественной работе кости. А внутренняя структура становилась своеобразным каркасом, внутри которого может формироваться новая костная ткань. Компьютерное моделирование показало, что искусственный каркас способен постепенно заполняться биологическим материалом. По расчетам исследователей, примерно за три месяца костная ткань может полностью заполнить имплант.
При этом решетка должна выдерживать реальные нагрузки. Поэтому ученые сначала создают цифровую копию импланта и испытывают ее на суперкомпьютере. Модель проверяли в семи сценариях: от обычной ходьбы – до подъема по лестнице и вставания со стула. Ни в одном из них напряжения в конструкции не достигли критических значений. После виртуальных испытаний выбранный вариант можно передавать на 3D-печать из титанового сплава.
Новая методология
По словам директора ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», научного руководителя проекта Алексея Боровкова, главным результатом их кропотливой работы стала целая методология и база знаний для создания имплантатов с предсказуемыми характеристиками.
Пациенту новая технология гарантирует, что имплантат лучше приживется в организме. Его можно заранее подстроить под конкретного человека. У людей разное строение костей, образ жизни и физическая нагрузка, поэтому спортсмену и пожилому человеку не обязательно подойдет одна и та же конструкция. Благодаря цифровому проектированию эти особенности можно учесть еще до того, как имплантат напечатают.
Российская школа цифровых имплантатов
В России успешно формируется направление, объединяющее медицинские данные, инженерное моделирование и аддитивное производство. Еще в 2022 году специалисты Новосибирского государственного технического университета создали систему индивидуального проектирования имплантатов. В цифровую среду можно было загрузить данные КТ пациента, построить трехмерную модель костного дефекта, провести расчеты и подготовить изделие к производству.
В 2024 году в СПбПУ стартовали исследования металлических мета-биоматериалов с управляемыми механическими свойствами. Нынешняя разработка стала следующим этапом этой работы. В том же году ученые Самарского университета предложили способ ускорить подготовку титановых эндопротезов к 3D-печати. По оценке разработчиков, их метод позволял примерно в 2,5 раза сократить время соответствующего этапа, одновременно уменьшив массу и себестоимость изделий.
Следующий этап проекта СПбПУ уже определен. В течение двух лет ученые продолжат работу в рамках гранта Российского научного фонда и планируют адаптировать разработанный подход уже для полимерных имплантатов позвоночника. Это значительно расширяет область применения технологии.
Потенциал есть и за пределами России. Особенно перспективными могут стать страны, где развивается 3D-печать медицинских изделий, но пока нет собственных комплексных систем цифрового проектирования.
