Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из НМИЦ имени Н. Н. Блохина и Технического университета Дортмунда разработали уникальную технологию изготовления полимерных имплантатов со структурой натуральной кости.

Природная пористая структура кости служит в качестве «негатива» для отливки формы под будущий имплантат, обеспечивая структурное соответствие имплантата и кости на микроуровне. Технология уже запатентована, статья о разработке опубликована в журнале Polymer Degradation and Stability.

Установка такого инородного тела, как имплантат – большой стресс для организма, и именно поэтому среди ключевых задач ученых – обеспечить быструю приживаемость и максимально долгий срок службы изделия. Успех зависит как от свойств самого исходного материала, так и от структурных особенностей имплантата, методов производства и так далее. Можно использовать металл, керамику, различные полимеры, а также их комбинации.

Одним из наиболее популярных материалов для производства костных имплантатов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Ученые НИТУ «МИСиС» уже несколько лет занимаются разработками биомиметических (повторяющих реальную структуру кости имплантатов) скаффолдов (конструкций, которые после вживления становятся имплантатами) на его основе. Особенное внимание уделяется имитации пористости сердцевины кости, чтобы после установки имплантата остеобласты (клетки костной ткани) пациента могли делиться и «прорастать» в имплантат. Ранее коллектив добивался такой архитектуры образцов путем 3D-моделирования и печати «негатива» кости с последующей заливкой формы полимером.

Новая разработка ученых – биомиметический скаффолд из СВМПЭ, структура которого скопирована со структуры настоящей кости млекопитающего. Первоначально эксперименты проводились с фрагментами костей коровы. Костный мозг удалялся при помощи перекиси водорода, затем кость заполнялась полиэфирсульфоном – для формирования «негатива» внутренней структуры. Затем полученный «негатив» отмывался при помощи соляной кислоты, заполнялся порошком СВМПЭ, и происходило термопрессование. Наконец, образец погружался в N-метилпирролидон – тот полностью растворял полиэфирсульфоновый «негатив», оставляя только пористый СВМПЭ, обладающий структурой имитирующей изначальную структуру кости.

«Характерной особенностью губчатой части кости является анизотропия – вытянутые по длине кости поры, эллипсообразные в разрезе. Полностью повторить подобное на 3D-принтере невозможно из-за высокой вязкости расплава СВМПЭ, – рассказывает Инна Булыгина, сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» и главный автор разработки. – Когда мы использовали в качестве “негатива” кость с длинами большой и малой осей пор примерно 770 мкм и 470 мкм соответственно, мы получили полимерные поры с длинами осей примерно 700 мкм и 500 мкм. То есть, форма пор получилась эллипсообразной на срезе, максимально близкой к натуральной».

Ученые из Технического университета Дортмунда проводили оценку топографии образца, а благодаря специалистам из НМИЦ имени Н. Н. Блохина были проведены испытания in vitro. Проведенные эксперименты по инкубации имплантата с мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками доказали их 75-процентную пролиферацию уже через 48 часов. Далее ученые планируют тестировать различные комбинации материалов для изготовления имплантатов с губчатой сердцевиной и твердой оболочкой. По словам исследователей, наиболее перспективная ниша для потенциального внедрения разработки – ветеринария.

Главный автор разработки – Инна Булыгина – студентка 1-го курса iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС», интегрированной программы, рассчитанной на 5 лет обучения (2 года магистратуры плюс 3 года аспирантуры). Отличительная особенность программы – фокус на науку и прикладные исследовательские проекты уже с первого года обучения. Благодаря этому, студенты уже в первый год обучения начинают публиковаться в журналах Q1– Q2.