Ученые ПНИПУ выяснили, как геометрия пор в имплантате влияет на скорость регенерации кости
Ежегодно люди по всему миру сталкиваются с необходимостью восстановления после тяжелых травм, операций и возрастных изменений. Наибольшие трудности возникают при лечении масштабных повреждений костей, когда собственных ресурсов организма для заживления уже недостаточно. Существующие хирургические методики, в том числе аутопластика (пересадка собственных тканей пациента), не только требуют длительного восстановления, но и создают дополнительные медицинские риски. Ученые Пермского Политеха усовершенствовали созданную ранее компьютерную модель, чтобы выявить оптимальные условия для регенерации костной ткани. Полученные результаты дают возможность проектировать структуру имплантатов, которая обеспечит максимально быстрое и качественное восстановление при серьезных повреждениях.
Статья опубликована в сборнике научных трудов «Актуальные проблемы механики сплошной среды».
Костные дефекты представляют собой масштабную медико-социальную проблему. По данным ВОЗ, в среднем 1,71 миллиарда человек в мире страдают от нарушений и болезней костно-мышечной системы, требующих хирургического вмешательства. Рост травматизма, онкологических заболеваний и возрастного естественного старения создает устойчивую тенденцию к увеличению числа пациентов с подобными проблемами.
Природа предусмотрела механизмы регенерации костной ткани, но они эффективны лишь при незначительных повреждениях. Критический размер дефекта, превышающий 2-3 см, становится непреодолимым препятствием для естественного заживления. Организм не может самостоятельно восстановить обширные повреждения. Из-за этого вместо костной ткани формируется рубцовая, возникает ложный сустав, либо дефект не устраняется.
Современная медицина также сталкивается с системными ограничениями при лечении масштабных повреждений. Традиционная аутотрансплантация - пересадка собственной костной ткани пациента – имеет серьезные недостатки. Например, дополнительное хирургическое вмешательство в области забора материала может создать новую травму, увеличить кровопотерю и риск осложнений.
В этих условиях тканевая инженерия предлагает принципиально иной подход. Ее суть заключается в создании искусственных аналогов тканей, способных направлять и поддерживать естественные процессы регенерации. Ключевая роль в этом процессе отводится скаффолдам - трехмерным пористым каркасам. Эти конструкции выполняют функцию временной поддержки и постепенно замещаются естественной костной тканью, обеспечивая полноценное восстановление поврежденных участков. На практике такой каркас, изготовленный по индивидуальным параметрам пациента, устанавливается в зону дефекта и служит для последующего формирования новой здоровой ткани.
Однако критическим фактором для успешной регенерации становится внутреннее строение скаффолда. Ученые ПНИПУ ранее уже разрабатывали искусственные каркасы, оптимизируя их структуру для замены кости. Они подбирали форму и размер пор скаффолдов, которые обеспечили бы механическую прочность искусственного аналога для избежания атрофии и трещин у пациентов.
Однако для успешного вживления имплантата критически важно понимать, как форма внутренних пор будет влиять на поведение живых клеток. Эти поры представляют собой систему пустот и каналов внутри каркаса, которые служат «дорогами» для миграции клеток и их размножения, а также обеспечивают доставку питательных веществ по всей конструкции. Без правильной геометрии внутренних каналов даже самый прочный имплантат может не прижиться.
Ранее ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, способную имитировать ключевые процессы роста тканей на искусственных каркасах. Она позволила получить общее представление о взаимодействии клеток со структурой скаффолда.
Теперь они усовершенствовали созданную модель и использовали ее как инструмент для изучения процесса роста костной ткани в скаффолдах. Ученые выяснили, какая структура импланта будет наиболее подходящей для ускорения регенерации.
Ключевым преимуществом разработанной математической модели является ее комплексность. В отличие от более простых подходов, она одновременно учитывает все основные «правила жизни» клеток: их стремление сохранять размер, устойчивость к изгибам, способность сжиматься и сцепляться друг с другом. Такой подход дает возможность с помощью расчетов предсказать, какую конкретно форму примет растущая ткань и где в ней возникнут внутренние напряжения, в зависимости от строения каркаса.
В рамках исследования были разработаны и проанализированы три типа геометрии пор скаффолда. Первый вариант представлял собой прямые каналы. Такая форма помогла понять, как клетки растут в самых простых, почти идеальных условиях, где им ничего не мешает. Второй тип имел синусообразную форму (извилистые каналы) с плавными сужениями и расширениями, имитирующую более естественную, умеренно неровную среду. Третий вариант представлял собой градиентно-периодические каналы: чередующиеся участки с различной геометрией. Такая форма пор максимально приближена к тому, как устроены пустоты в живых биологических тканях.
— После подготовки трех моделей скаффолдов мы приступили к численному моделированию. В каждый тип поры поместили одну клетку, после чего математическая модель отслеживала процесс ее развития. Это позволило получить количественные данные о том, с какой скоростью растет костная ткань, как при этом меняется форма отдельных клеток и где возникают зоны механического давления, — комментирует Иван Красняков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.
Для комплексной оценки эффективности каждого скаффолда ученые проанализировали не только темпы роста, но и распределение напряжения. Этот параметр имеет критическое значение, поскольку повышенные нагрузки создают неблагоприятные условия для восстановления клеток. В условиях высокого напряжения они вынуждены тратить энергию на поддержание структурной целостности, что физически замедляет процесс деления.
Для объективного анализа механических напряжений был разработан специализированный программный модуль, который автоматически выделял и количественно оценивал зоны с экстремальными нагрузками. Это позволило перейти от визуальной оценки к точному количественному сравнению различных строений скаффолдов.
— Результаты моделирования показали, что геометрия пор напрямую влияет на скорость восстановления клеток. В прямых каналах рост ткани происходит в среднем на 10-20% быстрее, чем в синусообразных. Их преимущество объясняется отсутствием геометрических препятствий для миграции клеток, а также равномерным распределением стимулирующих факторов роста (например, белков или гормонов), – дополнил Максим Бузмаков, младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.
В градиентно-периодических каналах, несмотря на более сложную геометрию, рост ткани происходит почти с такой же скоростью, как и в прямых. Однако в местах резких изгибов формировались зоны повышенных механических напряжений, что может повлиять на весь процесс регенерации тканей.
— В настоящее время ведется работа по усовершенствованию математической модели для условий, приближенных к работе реального биореактора, где через каркас с порами непрерывно протекает питательная жидкость. Важно, что в таких условиях синусоидальные и градиентно-периодические каналы могут оказаться предпочтительнее прямых за счет более эффективного перемешивания жидкости и улучшения транспорта питательных веществ, — рассказал Максим Бузмаков.
Исследование открывает перспективы для создания оптимизированных имплантатов, где внутренняя структура будет спроектирована специально для ускоренного роста ткани и сокращения сроков лечения пациентов. Полученные результаты могут найти применение в различных областях медицины, включая травматологию и хирургию для восстановления сложных костных дефектов.
