Цель любого имплантата — восстановить целостность ткани или заменить утраченную. Важно, чтобы он находился в стабильном контакте с окружающими тканями и не вызывал патологических реакций. Аддитивные технологии (создание изделий слой за слоем) позволяют производить такие имплантаты для костей — скаффолды. Их задача — имитировать структуру, свойства и функции живой ткани, а также оказывать механическую поддержку для клеток.

Эти требования накладывают ограничения на имплантаты: они должны обладать нужной пористостью и свойствами, аналогичными человеческой кости. Ученые ПНИПУ разработали градиентные структуры скаффолдов, предназначенные для замещения поврежденных костных тканей. Преимущество их подхода заключается в том, что он позволяет настраивать свойства скаффолда таким образом, чтобы имплантат в наибольшей степени соответствовал участку, которому требуется замена.

Исследование опубликовано в журнале Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. Разработка проведена в рамках программы мегагрантов.

Форма скаффолдов, разработанных учеными Пермского Политеха, способствует созданию условий для наилучшего прикрепления, миграции и деления клеток. Структуры хорошо имитируют естественную кость по характеристикам пористости, коэффициентам сжатия и проницаемости. Они сочетают низкий модуль упругости с высоким пределом текучести.

Свойства, используемые при моделировании, получены в результате испытаний на сжатие. Для экспериментальных исследований ученые с помощью трехмерной печати изготовили прототипы каждой разработанной модели из полилактида – биосовместимого материала, распространенного и доступного для аддитивного производства.

Сложное строение костной ткани достигается в разработанных скаффолдах за счет градиентной структуры с непрерывным изменением механических свойств. Это позволяет избежать зон концентрации напряжений, которые могут привести к разрушению костной ткани.

В зависимости от нужных свойств скаффолда, можно использовать несколько типов градиентов: пористости, характерного размера ячейки или морфологии. Градиент пористости предполагает постепенное изменение объемной доли пор в элементарной ячейке. Такой подход может быть хорошим решением при проектировании скаффолда с меньшей пористостью к большей без изменения геометрии элементарной ячейки.

3D-прототипы каждой спроектированной модели, увеличенные в пять раз / © Пресс-служба ПНИПУ

Скаффолды пермских ученых эффективны на границе раздела различных типов тканей. Например, при восстановлении поврежденного участка, включающего трабекулярную и кортикальную костные ткани. Трабекулярную ткань по-другому называют губчатой, она нужна для укрепления органов. А вот кортикальная – более прочная, отвечает за опору и защиту органов.

«Для замещения поврежденной трабекулярной кости требуются скаффолды с высокой пористостью – около 50–80 процентов, а для замещения кортикальной – с низкой – 10–30 процентов. Предлагаемые структуры сочетают в себе элементы, соответствующие обоим параметрам. Они имеют контролируемый градиентный переход от одного типа геометрии элементарной ячейки к другому при заданной пористости», – комментирует кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Предложенный учеными Пермского Политеха подход может стать эффективным инструментом проектирования. В дальнейшем он может быть распространен на разработку скаффолдов с нанокомпозитной структурой. Это позволит оценить механическое поведение мультиморфологических скаффолдов на различных уровнях. Развитие исследования позволит приблизить дизайн скаффолда к структуре человеческих костей, что позволит качественно их замещать и положительно скажется на процессах регенерации костных тканей при различных заболеваниях и повреждениях.