Исследователи из Городского университета Гонконга (CityU HK) разработали новые искусственные костные каркасы с высокой степенью восстановления деформации – 6–7% по сравнению с 2–4% для натуральной кости и менее 1% для традиционных металлических каркасов. Кроме того, эти каркасы позволяют гибко регулировать такие свойства, как прочность, модуль упругости и проницаемость, в соответствии с требованиями к месту имплантации.

Опубликованная в Международном журнале экстремального производства , эта работа дает ценную информацию о разработке высокопроизводительных искусственных костных каркасов и других многофункциональных метаматериалов для различных инженерных применений.

«Искусственные костные каркасы — важнейшая часть имплантатов, но существующие каркасы всё ещё далеки от идеала», — заявил профессор Цзянь Лу, автор-корреспондент данной статьи и заведующий кафедрой машиностроения Городского университета Гонконга. «Каркасы служат в качестве частичных имплантатов для решения проблемы локальной потери костной ткани и должны максимально точно имитировать свойства натуральной кости в месте имплантации. Например, они должны обладать достаточной способностью к восстановлению после деформации и иметь регулируемый модуль упругости, прочность и проницаемость в соответствии с особенностями места имплантации. К сожалению, традиционные металлические каркасы пока не отвечают этим требованиям».

Сплавы NiTi — биосовместимые металлы с превосходной способностью к восстановлению после деформации (также известной как суперэластичность). С конца XX века исследователи изучали возможность их использования в имплантатах, включая ортодонтические дуги, костные пластины и сосудистые стенты. Однако сложная топологическая структура костных каркасов создает трудности для традиционных методов производства.

Появление технологии 3D-печати открывает новые возможности для изготовления NiTi-матриц. Тем не менее, предварительные исследования выявили трудности в управлении характеристиками NiTi-матриц, напечатанных на 3D-принтере, при этом неясны стратегии достижения оптимальной сверхэластичности и широкого спектра регулируемых свойств.

Используя технологию лазерной порошковой сварки , группа профессора Цзяня Лу синергетически оптимизировала микроструктуру и макроструктуру матриц NiTi, получив матрицы с иерархической микроструктурой и топологией гироидных листов.

Такая конструкция усиливает обратимое мартенситное фазовое превращение, значительно повышая сверхэластичность каркасов. Кроме того, благодаря регулированию объёмной доли и размера элементарной ячейки был достигнут широкий диапазон механических и массопереносных свойств, что расширяет область применения каркасов.

«По сравнению с ранее описанными скаффолдами, наши суперэластичные никель-титановые скаффолды более точно соответствуют деформационным свойствам натуральной кости и обладают гибкими свойствами, соответствующими различным потребностям разных зон имплантации», — сказал Шиюй Чжун, первый автор статьи и аспирант профессора Цзянь Лу. «Дальнейшие исследования будут сосредоточены на биосовместимости и долговечности (включая усталость, коррозию и т. д.) этих скаффолдов для расширения возможностей их клинического применения».

Источник