Ученые Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого нашли решение сложной проблемы протезирования суставов: политехники предложили превращать сплошные металлические эндопротезы в тонкостенные, но прочные сетки, способствующие остеоинтеграции и сохранению прочности костных тканей.

Даже идеально установленный металлический имплантат со временем может расшататься, и пациенту потребуется повторная операция. Причина кроется в физической неоднородности: сталь или титан слишком жесткие, они отбирают нагрузку у кости, и та, оставшись без работы, атрофируется и разрушается. Вместо монолитной болванки инженеры ПИШ СПбПУ используют мета-биоматериалы — сложные решетчатые структуры, которые как пчелиные соты пронизывают весь объем имплантата, сообщает пресс-служба вуза.

На этапе цифрового проектирования ученые могут гибко менять геометрию этих ячеек. В результате жесткость имплантата может обоснованно меняться в зависимости от жесткости кости конкретного пациента. Когда жесткости совпадают, нагрузка при ходьбе распределяется физиологично. Кость не «отдыхает» рядом с титаном, а работает в прежнем режиме. Поры внутри сетки работают как идеальные строительные леса для организма. Жидкость и микродеформации внутри ячеек служат сигналом для стволовых клеток, заставляя их активно строить новую костную ткань прямо внутри металлического каркаса.

«Мы хотели, чтобы имплантат перестал быть просто инертной опорой и стал активной средой, которая сама направляет регенерацию. Управляя геометрией ячейки, мы фактически программируем материал: задаем ему нужную жесткость под конкретные свойства кости, а также создаем внутри пор условия для роста новой ткани. Свойства будущего имплантата закладываются на этапе цифрового проектирования», — рассказал ведущий инженер ПИШ СПбПУ Михаил Жмайло.

Чтобы убедиться в эффективности разработки, команда провела масштабное цифровое и физическое моделирование. Самое впечатляющее доказательство — математическое и компьютерное моделирование регенерации кости на уровне одной микроскопической ячейки.

Прежде чем напечатать протезы на 3D-принтере из титанового сплава, ученые собрали их точнейшие цифровые копии — конечно-элементные модели). Эти суперкомпьютерные модели испытывали на прочность в семи сценариях — от спокойной ходьбы пациента до резкого подъема по лестнице и вставания со стула.

Цифровые испытания показали отличные результаты: ни в одном из сценариев напряжения не достигли критических значений. Оказалось, что для бедренной кости лучше всего подходят решетчатые, «алмазные» структуры, а для сложной анатомии таза — поверхностная гироидная структура, дающая минимальные напряжения как в самом имплантате, так и в окружающей кортикальной кости. Главный итог работы — методология предсказательного и доказательного проектирования. 

«Основной результат — это не одна конкретная конструкция, а методология и база знаний, с которыми можно проектировать имплантаты с предсказуемым поведением под конкретные клинические задачи. Эндопротез тазобедренного сустава здесь служит наглядным примером-демонстратором, который подтверждает, что метод работает. В перспективе мы сможем создавать имплантаты разной локализации, настроенные под анатомию и образ жизни конкретного пациента. Речь идет о переходе к доказательному проектированию ортопедических конструкций нового поколения», — рассказал директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и научный руководитель проекта Алексей Боровков.

Следующий шаг — изготовление подобных индивидуальных протезов и клиническая апробация. В ближайшие два года при грантовой поддержке Российского научного фонда ученые продолжат исследования и планируют адаптировать эту технологию для создания полимерных имплантатов позвоночника.

Источник