Костная ткань – это биологический материал, из которого образованы кости человека. Ее сложная пористая структура, состоящая из микроскопических балок-трабекул, идеально приспособлена для ежедневных нагрузок и служит поддерживающей средой для клеток и кровеносных сосудов. Однако при серьезных травмах и заболеваниях кость не всегда может восстановиться сама. В таких случаях требуется замена поврежденного участка.

Проблема в том, что создать искусственный аналог костной ткани достаточно сложно. Идеальный имплантат, или «скаффолд» (искусственный каркас для восстановления тканей), должен выполнять две ключевые задачи: во-первых, быть механически прочным, чтобы выдерживать нагрузку как натуральная кость, а во-вторых, иметь правильную пористую структуру, чтобы в него могли прорастать клетки и сосуды, постепенно превращая искусственный каркас в живую ткань.

Однако существующие технологии проектирования скаффолдов не всегда позволяют одновременно удовлетворить оба этих требования. Для создания костных аналогов сегодня применяют разные подходы. Традиционно инженеры создают конструкции с простой геометрией пор. Существуют и более продвинутые программы для 3D-моделирования, которые позволяют генерировать сложные решетчатые структуры. Однако эти методы имеют недостатки: одни позволяют создать прочную конструкцию, но не обеспечивают оптимальных условий для прорастания клеток и сосудов; другие хорошо имитируют биологические процессы, но не выдерживают механические нагрузки в организме.

Все это создает ключевое ограничение таких подходов — они не способны одновременно воспроизвести уникальную анатомию кости конкретного пациента и обеспечить идеальное сочетание прочности и биосовместимости. В результате искусственные конструкции часто плохо приживаются или не полностью выполняют свои функции, что требует повторных операций и продлевает сроки реабилитации пациентов.

Ученые Пермского Политеха предложили инновационное решение этой проблемы. Они разработали «цифровой конструктор» для создания искусственных костей.

Это специальная компьютерная программа, с помощью которой специалисты могут создавать 3D-объекты имплантатов, используя сложные математические модели. На их основе были спроектированы и сравнены различные типы структур: гироидные, алмазные и примитивные, которые наиболее точно повторяют архитектуру натуральной кости. Ключевая особенность технологии — возможность легко настраивать свойства конструкции под анатомические и биомеханические особенности каждого пациента. Такой подход позволяет создавать искусственные кости, которые организм воспринимает как собственные.

— Ключевая проблема традиционных скаффолдов — их упрощенная внутренняя архитектура. Они не повторяют сложную пористую структуру натуральной кости, что приводит к двум серьезным осложнениям: недостаточному приживлению с окружающими тканями и возникновению «эффекта стресс-экранирования», когда имплантат берет на себя всю нагрузку, а соседние костные участки постепенно атрофируются, — рассказала Наталия Еленская, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Новая технология решает эти проблемы, точно воспроизводя природную структуру кости. Для этого программа анализирует данные компьютерной томографии пациента — определяет среднюю толщину костных перегородок и общую пористость. Например, в исследовании ученые использовали эталонную модель большеберцовой кости, где эти параметры составили 0,53 мм и 55,2%. Алгоритм автоматически подбирал геометрию «виртуальных кубиков», чтобы их характеристики совпали с эталонными, создавая идеальную биомеханическую копию.

— Наш подход позволяет регулировать ключевые параметры имплантата: размер и форму пор, толщину внутренних перегородок, общую плотность структуры. Это обеспечивает оптимальные условия для прорастания кровеносных сосудов и костных клеток, а также правильное распределение механической нагрузки, — объяснил Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Ученые также проверили скаффолд в виртуальной среде. Они проанализировали, как разные модели будут вести себя под давлением и скручивающими нагрузками, чтобы найти самый прочный и надежный вариант.

— С помощью компьютерного моделирования мы определили оптимальные параметры микроархитектуры имплантата — форму и размер внутренних пор и перегородок, — которые обеспечивают не только механическую прочность, сравнимую с натуральной костью, но и создают подходящие условия для регенерации тканей, — добавил Михаил Ташкинов.

Полученные результаты создают основу для применения разработки для лечения сложных переломов, восстановления костных дефектов после удаления опухолей или травм, а также в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии при наращивании костной ткани.

Разработка прошла этап компьютерного моделирования и готова к проведению доклинических испытаний. Использование доступных промышленных компонентов и проверенных методов 3D-печати делает технологию экономически целесообразной для внедрения в медицинских учреждениях различного уровня. В перспективе это может кардинально изменить подход к лечению костных травм и заболеваний во всем мире.

Искусственные суставы и риски инфекций

В целом, большинство операций по замене суставов, включая тазобедренные и коленные суставы, проходят без проблем. Но частота перипротезной инфекции суставов достигает 2%. Кажется, что это ничтожно мало, вот только в Соединённых Штатах ежегодно проводится около миллиона подобных операций, а это 20 000 потенциальных заражений. И последствия от инфекции длятся годами после операции.

Чтобы улучшить период «приживления», международная группа учёных под руководством исследователей из австралийского Университета Флиндерса создала состав из биокерамического каркаса, залитого жидким металлом – серебро-галлий. Серебро-галлий действует как природный антибактериальный агент и, как показали испытания на животных, борется с инфекцией как раз в точке имплантации сустава. Серебро-галлий разрушает клеточные стенки, тем самым уничтожая вредоносные бактерии.

Было доказано, что данное соединение не только эффективно против распространенных бактерий, таких как золотистый стафилококк, но и способно бороться с формой этого микроба, устойчивой к лекарственным препаратам. Одновременно с этим, биокерамический каркас усиливает срастание с окружающей костью.

Слово исследователей. Ведущий автор Ви-Кхань Труонг и научный сотрудник Нгок Хыу Нгуен

В наших последних исследованиях наши каркасы значительно снижают численность бактериальных колоний в местах имплантации и способствуют здоровой интеграции костной ткани. Это подтверждает как антибактериальную эффективность, так и регенеративную способность в физиологически релевантных условиях. Что особенно актуально для биогибридных протезов.

Ранее уже тестировались иные суставные имплантаты, которые также содержат антибактериальные соединения. Но наш каркас – это первая подобная модель, в которую интегрирован жидкий металл. Принципы его работы кардинально отличаются.

Наш подход принципиально отличается от традиционных материалов, содержащих антибиотики. Вместо импульсного высвобождения, каркас обеспечивает локально устойчивую антимикробную защиту, активно способствуя заживлению кости.

Материалы и препараты

В мире достаточно распространены процедуры имплантации тазобедренного сустава с использованием серебра и капсулированных антибиотиков для борьбы с инфекцией. Однако новый материал импланта устраняет необходимость в лекарственных препаратах и использует жидкое, а не твёрдое соединение серебра.

По словам исследователей, жидкие свойства нового имплантационного материала позволяют ему выполнять более широкий спектр функций в ортопедической хирургии, например, склеивать переломы и заполнять пустоты, образовавшиеся после резекции опухолей.

Технически, это еще один небольшой шаг в сторону момента, когда технологии и биология могут слиться воедино, чтобы… Честно говоря, непонятно «чтобы что». Мир переживает хаос, в котором у каждого человека возникает настолько широкий набор возможностей, что и не снился прежде.

Обзорная площадка дивного нового мира – сообщество Neural Hack. Присоединяйтесь, чтобы держать руку на пульсе технологий.

Житель Петербурга лишился глаза из-за онкологии, и обычные протезы показались ему слишком скучными. Тогда он вместе с товарищами сделал уникальный глазной протез, помогающий ему в быту!
Видео с полной историей создания на YouTube