Ученые из Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) разработали метод проектирования и изготовления керамических костных имплантов сложной формы с контролируемой структурой пористости, что значительно повышает эффективность сращивания биологических тканей.
Структура костных имплантов / ©Павел Одинев / Пресс-служба Сколтеха
Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Sciences. Керамические материалы устойчивы к химическому и механическому воздействию и демонстрируют высокую износостойкость, что делает их подходящими для производства костных имплантов.
Современные технологии 3D-печати позволяют создавать керамические костные импланты по индивидуальному дизайну. Для успешного разрастания клеток в зоне костного импланта используются различные пористые структуры. Для того, чтобы процесс сращивания тканей происходил более эффективно, необходимо, чтобы поры имели размер порядка несколько сотен микрометров.
При этом размер имплантов может превышать размер пор на несколько порядков. При практическом применении все изготавливаемые имплантаты должны быть кастомизированы, то есть проектироваться исходя из особенностей пациента. Это приводит к очевидной проблеме быстрого проектирования имплантов с заданной структурой пористости. Традиционные методы геометрического моделирования, основанные на поверхностном представлении модели здесь неприменимы из-за сложной внутренней структуры объектов.
Ученые из Сколтеха под руководством профессора Александра Сафонова для моделирования имплантов использовали метод, основанный на функциональном представлении (Function Representation — FRep), который был разработан другим профессором Сколтеха Александром Пасько.
«Моделирование микрострутктур с использованием FRep имеет ряд преимуществ, – рассказывает соавтор статьи научный сотрудник Сколтеха Евгений Мальцев – во-первых, в процессе FRep моделирования всегда гарантируется корректность полученной модели, в отличие от традиционного полигонального представления в системах автоматического проектирования, в которых высока вероятность получить трещины или нестыковки граней модели.
Во-вторых, это полная параметризация получаемых микроструктур, что дает высокую гибкость в быстрой генерации вариабельных 3D-моделей. В-третьих, это наличие различных инструментов для моделирования различных сеточных структур».
В новой работе были спроектированы цилиндрические имплантаты с использованием метода FRep. При моделировании ячеистой микроструктуры за основу была взята кубическая ячейка алмаза. Далее в лаборатории Аддитивного производства Центра CDMM были изготовлены керамические образцы имплантатов методом 3D-печати и были проведены механические испытания изготовленных образцов при осевом сжатии. За счет изменения пористой структуры, метод позволяет получать импланты разной плотности индивидуально под каждого пациента.
