Ученые из Сколтеха в соавторстве с коллегами из университета МИСИС и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета поделились результатами нового исследования, в котором работали над проницаемостью биомиметических имплантатов.
Вид экспериментальной установки для измерений проницаемости и образец с пористой структурой / © Пресс-служба Сколтеха
Статья вышла в International Journal of Bioprinting. Цель дизайна биомиметических имплантатов — получить свойства, которые полностью соответствуют реальным органам и тканям человека. За счет повторения структуры и механических свойств утративших свою функцию тканей или органов биомиметические имплантаты приживаются лучше. Это помогает упростить и ускорить восстановление пациентов после операций.
Первый автор исследования, аспирант Центра технологий материалов в Сколтехе Станислав Чернышихин подчеркивает важность биомиметических имплантатов: «Если механические свойства имплантата не совпадают со свойствами костной ткани в местах их соединения, — например, в случае повышенной жесткости имплантата, — то нагруженное состояние кости изменится, из-за чего ткань, по закону Вольфа, станет более хрупкой».
В серии исследований группа ученых решает комплексную задачу по созданию биомиметического имплантата из никелида титана — материала, в котором реализуется свойство сверхупругости. Кривые напряжение-деформация реальной кости и этого материала в сверхупругом состоянии близки, но никелид титана жестче. Чтобы уменьшить жесткость, в материал добавляли пористость:
«Раньше это делали с помощью таких методов, как самораспространяющийся высокотемпературный синтез, а сейчас нам доступны новые технологии 3D-печати, которые полностью изменили подход к задаче.
С помощью селективного лазерного плавления мы можем изготовить упорядоченную пористую структуру, измерить ее механические свойства и в будущем контролировать их, то есть адаптировать механические свойства имплантата под кость пациента путем вариации пористости и размера пор ещё на этапе дизайна. Дополнительное преимущество подхода заключается в возможности моделирования и изготовления имплантатов с градиентными пористыми структурами: если нужна жесткость больше, пористость уменьшается, и наоборот», — продолжает Станислав Чернышихин.
В новом исследовании авторы представляют оригинальные результаты исследований по проницаемости будущих имплантатов из никелида титана. Свойство проницаемости важно для транспорта питательных веществ в кости.
«Необходимое условие правильного функционирования имплантата — возможность осуществления транспорта веществ по внутренним каналам. Сейчас в основном уделяют внимание механическим свойствам имплантата, но он должен не только нести нагрузку. Мы предлагаем развивать этот подход и работать также над другими свойствами. В этом исследовании мы сосредоточились на проницаемости», — рассказывает Алексей Шиверский, соавтор исследования и аспирант Сколтеха.
С использованием технологии селективного лазерного плавления исследователи изготовили из порошка никелида титана пористые структуры на основе элементарной ячейки гироида и измеряли в них проницаемость для разного размера пор и разной пористости. Теоретическую модель для изучения проницаемости разработал аспирант Сколтеха Билту Махато в рамках совместного исследования с экспертами из других ведущих научных организаций мира: «Мы использовали модель, разработанную для ламината с волоконным армированием, у которого так же, как и у изготовленной пористой структуры, наблюдался ламинарный поток, подчиняющийся закону Дарси». Экспериментальной валидацией модели занимался Алексей Шиверский. Затем ученые также провели тест напечатанных имплантатов на биосовместимость.
«Наши коллеги из Самарского медицинского университета брали небольшие части дисков с пористыми структурами и помещали их в культуральный раствор с мезенхимальными стволовыми клетками человека. Велись наблюдения, как клетки прикрепляются к поверхности, могут ли они делиться, прорастать в эти имплантаты. Результаты показали, что чем больше удельная поверхность имплантата, тем легче клетки закрепляются на них, но при этом чем больше пористость, тем лучше будет транспорт веществ и тем лучше они будут расти. Таким образом, лучший результат будет достигнут при учете как можно больших факторов, таких как механические свойства, проницаемость, удельная поверхность и так далее», — описывает эксперимент Станислав Чернышихин.
Теперь, по словам ученых, можно проектировать имплантат, который будет сопоставим с реальной костью не только по механическим свойствам, но и по проницаемости. Исследователи уже завершили следующий этап работ совместно с коллегами из лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Томского государственного университета.
Методом томографии они восстановили форму отсутствующей части кости пациента, которому предстоит краниопластическая операция в области носовой перегородки. Ученые в Сколтехе сделали дизайн пористой структуры будущего тканевоклеточного каркаса, сформированного ячейками гироидального типа, и произвели 3D-печать имплантата из нитинола. Теперь имплантат передан сибирским ученым. Исследователи надеются, что оперативное вмешательство пройдет успешно.
