Исследование Пермского Политеха поможет в разработке костных имплантатов

4.4

Трабекулярная кость — это один из двух основных типов костной ткани в организме человека. Она также известна как «губчатая» из-за своей пористой структуры. Сложное строение таких костей представляет проблему для анализа возникновения и распространения разрушений в них. Ученые ПНИПУ разработали модели и провели численные эксперименты по разрушению пористой костной ткани, а также изучили их важные механические свойства. Результаты исследования помогут создавать искусственные имплантаты для тканевой инженерии, приближенные к костной ткани по строению, форме и выдерживаемым нагрузкам, что ускорит процесс реабилитации пациентов.

ПНИПУ

# имплантат

# кости

# остеопороз

# трабекулярная кость

Модель образца трабекулярной кости / © Михаил Ташкинов, ПНИПУ

Результаты исследования опубликованы в журнале Theoretical and Applied Fracture Mechanics. Исследование выполнено в рамках программы мегагрантов.

Старение организма и некоторые заболевания, которые приводят к снижению костной массы, например остеопороз, уменьшают минеральную плотность и повышают опасность перелома костей. Чтобы снизить риски и оказать своевременную помощь, необходимо понять специфические особенности поведения трабекулярных костей при разрушении.

По данным статистики, в России остеопороз выявлен у 33 процентов женщин и 26 процентов мужчин в возрасте 50 лет и старше. Каждую минуту в стране происходит семь переломов позвонков, а каждые пять минут — проксимального отдела бедренной кости. К 2035 году общее число переломов на фоне остеопороза увеличится с 590 тысяч до 730 тысяч случаев в год. Изучение такой костной ткани традиционными экспериментальными методами затруднительно из-за этических процедур и значительной изменчивости ее микроструктуры.

Ученые Пермского Политеха провели исследование, в котором моделировали образование трещин и разрушение губчатой костной ткани. Для этого сначала получили геометрию структур из сканов компьютерной томографии реальных трабекулярных большеберцовых костей. Затем перевели их в 3D-модели и выполнили численные эксперименты на растяжение и сжатие образцов с моделированием процессов разрушения.

Рост трещин при нагрузках / © Михаил Ташкинов, ПНИПУ

Для расчетов объектов с таким сложным строением политехники разработали специальный алгоритм. Подход позволяет одновременно моделировать рост нескольких трещин (а не одной, как было в существующих моделях), что крайне важно, поскольку особенности пористой структуры костей приводят к появлению множества потенциальных областей для роста микротрещин. Ученые Пермского Политеха выделяли участки с резким локальным повышением напряжений, и определяли возможность зарождения и роста трещины для каждой. Разработанный алгоритм позволяет анализировать прогрессирующий рост трещины в отдельных лигаментах костной ткани – соединительных элементах, образующих пористую структуру кости.

«Биомедицинские устройства для замены костных тканей должны максимально соответствовать свойствам кости, в том числе ее механическим характеристикам. Это позволит ускорить процесс заживления и избежать осложнений, связанных с неправильным распределением нагрузки между костью и имплантатом. Полученные нами модели описывает характер эволюции роста трещин в реальной кости и в дальнейшем помогут в создании искусственных костных заменителей», – поделился кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Исследование ученых Пермского Политеха позволит контролируемо оценивать поведение трабекулярной структуры костей при разрушении в отдельных участках. С помощью полученных данных возможно улучшить имплантаты для восстановления или замещения дефектов в костной ткани так, чтобы они максимально соответствовали физическим и биологическим характеристикам естественной ткани.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.