Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
«Цифровой конструктор» позволил смоделировать имплантат кости с учетом анатомических особенностей пациента
Костная ткань человека обладает сложной пористой структурой, идеально адаптированной к нагрузкам. Однако при серьезных травмах она не всегда способна к регенерации, что требует замены участка имплантатом. Создать такой искусственный аналог сложно: он должен быть одновременно устойчивым к внешнему давлению, как натуральная кость, и иметь пористую структуру для прорастания клеток и сосудов. Существующие технологии не позволяют одновременно удовлетворить оба требования — традиционные методы создания простых геометрий и современное 3D-моделирование либо дают прочность без оптимальной биосовместимости, либо наоборот. В результате вживленные конструкции часто отторгаются, что ведет к повторным операциям и увеличивает сроки восстановления. Ученые Пермского Политеха разработали «цифровой конструктор» для создания скаффолдов, который позволяет одновременно управлять механическими свойствами и геометрией структур. Это обеспечивает оптимальное сочетание стойкости и совместимости с живыми тканями, необходимое для успешного приживления имплантатов и сокращения периода лечения.
Костная ткань — это биологический материал, из которого образованы кости человека. Ее сложная пористая структура, состоящая из микроскопических балок-трабекул, идеально приспособлена для ежедневных нагрузок и служит поддерживающей средой для клеток и кровеносных сосудов. Однако при серьезных травмах и заболеваниях кость не всегда может восстановиться сама. В таких случаях требуется замена поврежденного участка.
Проблема в том, что создать искусственный аналог костной ткани достаточно сложно. Идеальный имплантат, или «скаффолд» (искусственный каркас для восстановления тканей), должен выполнять две ключевые задачи: во-первых, быть механически прочным, чтобы выдерживать нагрузку как натуральная кость, а во-вторых, иметь правильную пористую структуру, чтобы в него могли прорастать клетки и сосуды, постепенно превращая искусственный каркас в живую ткань.
Однако существующие технологии проектирования скаффолдов не всегда позволяют одновременно удовлетворить оба требования. Для создания костных аналогов сегодня применяют разные подходы. Традиционно инженеры создают конструкции с простой геометрией пор. Существуют и более продвинутые программы для 3D-моделирования, которые позволяют генерировать сложные решетчатые структуры. Однако эти методы имеют недостатки: одни позволяют создать прочную конструкцию, но не обеспечивают оптимальных условий для прорастания клеток и сосудов; другие хорошо имитируют биологические процессы, но не выдерживают механические нагрузки в организме.
Все это создает ключевое ограничение таких подходов — они не способны одновременно воспроизвести уникальную анатомию кости конкретного пациента и обеспечить идеальное сочетание прочности и биосовместимости. В результате искусственные конструкции часто плохо приживаются или не полностью выполняют свои функции, что требует повторных операций и продлевает сроки реабилитации пациентов.
Ученые Пермского Политеха предложили инновационное решение этой проблемы. Они разработали «цифровой конструктор» для создания искусственных костей. Результаты исследований опубликованы в International Journal of Solids and Structures. Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования.
Это специальная компьютерная программа, с помощью которой специалисты могут создавать 3D-объекты имплантатов, используя сложные математические модели. На их основе спроектировали и сравнили различные типы структур: гироидные, алмазные и примитивные, наиболее точно повторяющие архитектуру натуральной кости. Ключевая особенность технологии — возможность легко настраивать свойства конструкции под анатомические и биомеханические особенности каждого пациента. Такой подход позволяет создавать искусственные кости, которые организм воспринимает как собственные.
— Ключевая проблема традиционных скаффолдов — их упрощенная внутренняя архитектура. Они не повторяют сложную пористую структуру натуральной кости, что приводит к двум серьезным осложнениям: недостаточному приживлению с окружающими тканями и возникновению «эффекта стресс-экранирования», когда имплантат берет на себя всю нагрузку, а соседние костные участки постепенно атрофируются, — рассказала Наталия Еленская, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Новая технология решает эти проблемы, точно воспроизводя природную структуру кости. Для этого программа анализирует данные компьютерной томографии пациента — определяет среднюю толщину костных перегородок и общую пористость. Например, в исследовании ученые использовали эталонную модель большеберцовой кости, где эти параметры составили 0,53 миллиметра и 55,2%. Алгоритм автоматически подбирал геометрию «виртуальных кубиков», чтобы их характеристики совпали с эталонными, создавая идеальную биомеханическую копию.
— Наш подход позволяет регулировать ключевые параметры имплантата: размер и форму пор, толщину внутренних перегородок, общую плотность структуры. Это обеспечивает оптимальные условия для прорастания кровеносных сосудов и костных клеток, а также правильное распределение механической нагрузки, — объяснил Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Ученые также проверили скаффолд в виртуальной среде. Они проанализировали, как разные модели будут вести себя под давлением и скручивающими нагрузками, чтобы найти самый прочный и надежный вариант.
— С помощью компьютерного моделирования мы определили оптимальные параметры микроархитектуры имплантата — форму и размер внутренних пор и перегородок, — которые обеспечивают не только механическую прочность, сравнимую с натуральной костью, но и создают подходящие условия для регенерации тканей, — добавил Михаил Ташкинов.
Полученные результаты создают основу для применения разработки для лечения сложных переломов, восстановления костных дефектов после удаления опухолей или травм, а также в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии при наращивании костной ткани.
Разработка прошла этап компьютерного моделирования и готова к проведению доклинических испытаний. Использование доступных промышленных компонентов и проверенных методов 3D-печати делает технологию экономически целесообразной для внедрения в медицинских учреждениях различного уровня. В перспективе это может кардинально изменить подход к лечению костных травм и заболеваний во всем мире.
Telegram 
Дзен 
VK Биологи использовали данные отлова змей за 22 года, чтобы объяснить появление редких ядовитых рептилий в засушливых и нетипичных для них районах штата Гоа. Анализ показал, что королевские кобры Западных Гат используют железнодорожную сеть как скоростной коридор для расселения, случайно путешествуя в товарных вагонах из родных лесов к побережью.
Яркий надувной тюбинг, в народе прозванный «ватрушкой», стал символом зимнего отдыха. Он кажется удобным, мягким и потому — безопасным. Это ощущение обманчиво и ежегодно приводит к тысячам серьезных травм. В чем же кроется фундаментальная опасность этого популярного развлечения? На этот вопрос для нашего издания ответил Олег Рубан, кандидат технических наук, доцент кафедры физики РТУ МИРЭА, объяснив, почему законы физики превращают безобидный на вид тюбинг в неуправляемый снаряд.
Ученые Института истории материальной культуры РАН и Алтайского государственного университета в ходе исследований могильника эпохи раннего средневековья на реке Чумыш в Алтайском крае обнаружили необычную бронзовую бляху с изображением трех медведей. Находка, датируемая VII–VIII веками нашей эры, свидетельствует о сложных процессах культурного взаимодействия на территории Южной Сибири в эпоху становления Тюркских каганатов.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Некоторые исследователи предполагали, что по мере исчезновения морского льда белые медведи потеряют кормовую базу и начнут умирать от истощения. Однако их популяция, живущая в районе максимального исчезновения морского льда, напротив, существенно прибавила в весе.
Биологи использовали данные отлова змей за 22 года, чтобы объяснить появление редких ядовитых рептилий в засушливых и нетипичных для них районах штата Гоа. Анализ показал, что королевские кобры Западных Гат используют железнодорожную сеть как скоростной коридор для расселения, случайно путешествуя в товарных вагонах из родных лесов к побережью.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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