Ученые Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) «Цифровой инжиниринг» создали принципиально новые эндопротезы суставов, способные имитировать структуру настоящей кости. Вместо сплошного металла имплантат представляет собой тонкостенную, но сверхпрочную решетку, в пустоты которой со временем врастает собственная костная ткань пациента, сообщили ТАСС в пресс-службе вуза.

«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», — пояснил ведущий инженер ПИШ СПбПУ Михаил Жмайло.

Традиционные металлические имплантаты слишком жесткие и со временем могут расшатываться, так как «отбирают» нагрузку у кости, заставляя ее атрофироваться.

Инженеры Политеха решили проблему с помощью мета-биоматериалов — сложных решетчатых структур, напоминающих пчелиные соты, пронизывающих весь объем протеза. На этапе цифрового проектирования жесткость имплантата настраивается под конкретного пациента, чтобы нагрузка при ходьбе распределялась физиологично. При этом пустоты внутри решетки работают как строительные леса для организма, стимулируя стволовые клетки активно строить новую костную ткань прямо внутри титанового каркаса.

Испытания эндопротезов

Компьютерное моделирование показало, что всего за три месяца биологический материал полностью заполняет искусственный каркас. Прежде чем напечатать протезы из титанового сплава, цифровые копии прошли испытания на суперкомпьютере в семи сценариях — от спокойной ходьбы до резкого подъема по лестнице и вставания со стула.

Ни в одном из сценариев напряжения не достигли критических значений. Выяснилось, что для бедренной кости лучше всего подходят решетчатые структуры типа Diamond, а для сложной анатомии таза — поверхностная структура Gyroid.

Директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», научный руководитель проекта Алексей Боровков подчеркнул, что главный итог работы — не одна конкретная конструкция, а методология и база знаний, позволяющие проектировать имплантаты с предсказуемым поведением под конкретную клиническую задачу.

«В перспективе мы сможем создавать имплантаты разной локации, настроенные под анатомию и образ жизни конкретного пациента. Речь идет о переходе к доказательному проектированию ортопедических конструкций нового поколения», — отметил Боровков.

В ближайшие два года в рамках гранта Российского научного фонда ученые продолжат исследования и планируют адаптировать технологию для создания полимерных имплантатов позвоночника.