Ученые определили, какая структура имплантата помогает кости восстанавливаться быстрее
Ежегодно люди по всему миру сталкиваются с необходимостью восстановления после тяжелых травм, операций и возрастных изменений. Наибольшие трудности возникают при лечении масштабных повреждений костей, когда собственных ресурсов организма для заживления уже недостаточно. Существующие хирургические методики, в том числе аутопластика (пересадка собственных тканей пациента), не только требуют длительного восстановления, но и создают дополнительные медицинские риски. Ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, чтобы выявить оптимальные условия для регенерации костной ткани. Полученные результаты дают возможность проектировать структуру имплантатов, которая обеспечит максимально быстрое и качественное восстановление при серьезных повреждениях.
Костные дефекты представляют собой масштабную медико-социальную проблему. По данным ВОЗ, в среднем 1,71 миллиарда человек в мире страдают от нарушений и болезней костно-мышечной системы, требующих хирургического вмешательства. Рост травматизма, онкологических заболеваний и возрастного естественного старения создает устойчивую тенденцию к увеличению числа пациентов с подобными проблемами.
Природа предусмотрела механизмы регенерации костной ткани, но они эффективны лишь при незначительных повреждениях. Критический размер дефекта, превышающий два-три сантиметра, становится непреодолимым препятствием для естественного заживления. Организм не может самостоятельно восстановить обширные повреждения. Из-за этого вместо костной ткани формируется рубцовая, возникает ложный сустав, либо дефект не устраняется.
Современная медицина также сталкивается с системными ограничениями при лечении масштабных повреждений. Традиционная аутотрансплантация — пересадка собственной костной ткани пациента — имеет серьезные недостатки. Например, дополнительное хирургическое вмешательство в области забора материала может создать новую травму, увеличить кровопотерю и риск осложнений.
В этих условиях тканевая инженерия предлагает принципиально иной подход. Ее суть заключается в создании искусственных аналогов тканей, способных направлять и поддерживать естественные процессы регенерации. Ключевая роль в этом процессе отводится скаффолдам — трехмерным пористым каркасам. Эти конструкции выполняют функцию временной поддержки и постепенно замещаются естественной костной тканью, обеспечивая полноценное восстановление поврежденных участков. На практике такой каркас, изготовленный по индивидуальным параметрам пациента, устанавливается в зону дефекта и служит для последующего формирования новой здоровой ткани.
Однако критическим фактором для успешной регенерации становится внутреннее строение скаффолда. Ученые ПНИПУ ранее уже разрабатывали искусственные каркасы, оптимизируя их структуру для замены кости. Они подбирали форму и размер пор скаффолдов, которые обеспечили бы механическую прочность искусственного аналога для избежания атрофии и трещин у пациентов.
Однако для успешного вживления имплантата критически важно понимать, как форма внутренних пор будет влиять на поведение живых клеток. Эти поры представляют собой систему пустот и каналов внутри каркаса, которые служат «дорогами» для миграции клеток и их размножения, а также обеспечивают доставку питательных веществ по всей конструкции. Без правильной геометрии внутренних каналов даже самый прочный имплантат может не прижиться.
Ранее ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, способную имитировать ключевые процессы роста тканей на искусственных каркасах. Она позволила получить общее представление о взаимодействии клеток со структурой скаффолда.
Теперь они усовершенствовали созданную модель и использовали ее как инструмент для изучения процесса роста костной ткани в скаффолдах. Ученые выяснили, какая структура импланта будет наиболее подходящей для ускорения регенерации. Статья опубликована в сборнике научных трудов «Актуальные проблемы механики сплошной среды».
Ключевое преимущество разработанной математической модели — ее комплексность. В отличие от более простых подходов, она одновременно учитывает все основные «правила жизни» клеток: их стремление сохранять размер, устойчивость к изгибам, способность сжиматься и сцепляться друг с другом. Такой подход дает возможность с помощью расчетов предсказать, какую конкретно форму примет растущая ткань и где в ней возникнут внутренние напряжения, в зависимости от строения каркаса.
Исследователи разработали и проанализировали три типа геометрии пор скаффолда. Первый вариант представлял собой прямые каналы. Такая форма помогла понять, как клетки растут в самых простых, почти идеальных условиях, где им ничего не мешает. Второй тип имел синусообразную форму (извилистые каналы) с плавными сужениями и расширениями, имитирующую более естественную, умеренно неровную среду. Третий вариант представлял собой градиентно-периодические каналы: чередующиеся участки с различной геометрией. Такая форма пор максимально приближена к тому, как устроены пустоты в живых биологических тканях.
— После подготовки трех моделей скаффолдов мы приступили к численному моделированию. В каждый тип поры поместили одну клетку, после чего математическая модель отслеживала процесс ее развития. Это позволило получить количественные данные о том, с какой скоростью растет костная ткань, как при этом меняется форма отдельных клеток и где возникают зоны механического давления, — рассказал Иван Красняков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.
Для комплексной оценки эффективности каждого скаффолда ученые проанализировали не только темпы роста, но и распределение напряжения. Этот параметр имеет критическое значение, поскольку повышенные нагрузки создают неблагоприятные условия для восстановления клеток. В условиях высокого напряжения они вынуждены тратить энергию на поддержание структурной целостности, что физически замедляет процесс деления.
Для объективного анализа механических напряжений ученые разработали специализированный программный модуль, который автоматически выделял и количественно оценивал зоны с экстремальными нагрузками. Это позволило перейти от визуальной оценки к точному количественному сравнению различных строений скаффолдов.
— Результаты моделирования показали, что геометрия пор напрямую влияет на скорость восстановления клеток. В прямых каналах рост ткани происходит в среднем на 10-20% быстрее, чем в синусообразных. Их преимущество объясняется отсутствием геометрических препятствий для миграции клеток, а также равномерным распределением стимулирующих факторов роста (например, белков или гормонов), — дополнил Максим Бузмаков, младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.
В градиентно-периодических каналах, несмотря на более сложную геометрию, рост ткани происходит почти с такой же скоростью, как и в прямых. Однако в местах резких изгибов формировались зоны повышенных механических напряжений, что может повлиять на весь процесс регенерации тканей.
— В настоящее время ведется работа по усовершенствованию математической модели для условий, приближенных к работе реального биореактора, где через каркас с порами непрерывно протекает питательная жидкость. Важно, что в таких условиях синусоидальные и градиентно-периодические каналы могут оказаться предпочтительнее прямых за счет более эффективного перемешивания жидкости и улучшения транспорта питательных веществ, — отметил Бузмаков.
Исследование открывает перспективы для создания оптимизированных имплантатов, где внутренняя структура будет спроектирована специально для ускоренного роста ткани и сокращения сроков лечения пациентов. Полученные результаты могут найти применение в различных областях медицины, включая травматологию и хирургию для восстановления сложных костных дефектов.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые нашли признак, который позволяет точно оценить пластичность органических кристаллов, востребованных в устройствах гибкой электроники и робототехнике. Ранее считалось, что хорошо гнутся материалы со слоистой структурой, где молекулы внутри слоя связаны крепко, а между слоями — слабо. Оказалось, что этих требований недостаточно и важно учитывать также энергию, которую нужно затратить на то, чтобы сдвинуть слои друг относительно друга — чем она ниже, тем материал более гибкий. Открытие упростит проектирование и создание органических кристаллов с заданными свойствами.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета уточнили описание вторично морских тихоходок. Удалось доказать существование двух видов организмов в Белом, Баренцевом, Карском морях и море Лаптевых, а также поставить под сомнение, что еще три вида того же семейства представляют собой разные.
Ученые НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН разработали метод, который позволяет быстро оценить, насколько прочно пленка сцеплена с подложкой. Это важно для создания сверхвысокочастотных акустических фильтров — ключевых элементов связи нового поколения 5G и 6G. Возможность измерить поперечную жесткость сцепления между пленкой из двумерного материала и подложкой таким способом получена впервые.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
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