Пермяки выяснили, какой имплантат на 92,53% эффективнее справится с восстановлением костей
В России ежегодно регистрируется 120-150 тысяч сложных переломов, 10–15 % из которых требуют непростой реконструкции. Традиционные методы, такие как пересадка тканей, имеют недостатки: риск отторжения, нехватка донорского материала и сложность подбора. Альтернатива — биоразлагаемые скаффолды, которые поддерживают кость и не требуют извлечения. Однако они часто слишком жесткие или не повторяют естественную структуру, что может вызвать атрофию соседних тканей или поломку каркаса. Ученые Пермского Политеха нашли конструкцию скаффолда, которая на 92,53 % соответствует архитектуре человеческой кости, обеспечивая естественное распределение нагрузки и ускоряя восстановление.
Статья опубликована в журнале Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. Исследование проведено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования России 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 так далее. 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.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые РТУ МИРЭА и Сибирского федерального университета создали программный комплекс, который анализирует учебные планы вузов быстрее секунды и находит в них слабые места. Большинство учебных планов содержат скрытые противоречия, дублирования и неочевидные перекосы в подготовке специалистов. Это важно, потому что от качества учебного плана напрямую зависит, какие реальные навыки получат студенты и насколько они будут востребованы работодателями.
Ближайшие родственники человека — шимпанзе и бонобо — выстраивают дружественные связи по тем же принципам, что и люди, согласно теории социальных кругов. Исследователи впервые показали, что эта закономерность возникла задолго до появления человека.
Пяти постов на одну тему достаточно, чтобы сформировать мнение. Новое исследование показало, что убеждения в соцсетях фиксируются быстрее, чем включается критическое мышление.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
Изучив данные о скорости изменения температур ледяных спутников пятой и шестой планеты системы, астрономы обнаружили, что она слишком высока для по-настоящему ледяной поверхности. Оказалось, что эти тела покрыты материалом, по своим свойствам резко отличающимся от земного льда.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно