Благодаря новой структуре материала межпозвонковые имплантаты станут долговечнее

Ученые Университета МИСИС запатентовали метод 3D-печати уникального трехмерного каркаса из ауксетических метаматериалов, который может быть использован для имплантатов, протезов и межпозвонковых кейджей в медицине будущего.

Ауксетики – это особый класс метаматериалов, которые ведут себя необычным образом, когда их растягивают или сжимают. Вместо того чтобы расширяться во все стороны, они сжимаются в поперечном направлении. Например, резинка при растягивании становится длиннее, но при этом тоньше в ширину. Это происходит потому, что материал имеет отрицательный коэффициент Пуассона. Медицинские применения ауксетиков включают протезирование, ортопедические изделия, эргономичные приспособления, устройства для повышения производительности, медицинские устройства in vitro для взаимодействия с клетками и передовые медицинские клинические продукты, особенно скаффолды тканевой инженерии с живыми клетками.

Ауксетические метаматериалы благодаря своей необычной структуре могут быть оптимальны для нагрузок, которые испытывает человеческий организм. Такие структуры способны эффективно амортизировать удары и вибрации, снижая риск повреждений костей и суставов. Ауксетики на основе сотовой ячейки подходят для использования в таких изделиях, как скаффолды, костные имплантаты, кейджи и другие. Ауксетики на основе вращающейся геометрии лучше для гибких медицинских изделий, таких как стенты, кожно-мышечные пластыри или скаффолды для мягких тканей.

В качестве замены классических пористых структур, используемых в костных трансплантатах, наиболее перспективными являются ауксетики на основе сотовой ячейки. Согласно клиническим исследованиям в 12% случаев спинальные кейджи после имплантации мигрируют, а в 5% полностью разрушаются под нагрузкой, так как межпозвонковые диски выполняют функцию амортизатора механических воздействий, обеспечивают определенный угол сгибания, скручивания и вращения между соседними позвонками. Геометрия, образующая ауксетические метаматериалы, играет важную роль в варьировании свойств кейджей, потенциально снижая эффект экранирования напряжений и увеличивая срок службы изделия.

3D-печатные кейджи из ауксетических метаматериалов со структурами с углом наклона между ребрами меньше 90 ̊ демонстрируют более высокую статическую прочность на сжатие и усталостную прочность. Поэтому они могут стать отличной основой для межпозвонковых кейджей, поддерживая участки поврежденного позвоночника и способствуя росту костной ткани при лечении дегенеративного заболевания диска.

Для оптимизации протеза межпозвонкового диска под ауксетический метаматериал использовалось параметрическое твердотельное моделирование. На первом этапе выделяется элементарная конфигурация ячейки ауксетика. На втором этапе с помощью компьютерной программы создается параметрическая система с взаимосвязанными размерами. Система объединяет в себе базовый участок ячейки с геометрическими параметрами делая их взаимосвязанными, таким образом, что при изменении одного параметра, изменяются другие. Затем компьютерный алгоритм моделирует механические, тепловые и другие испытания. В итоге выбирается оптимальная геометрия ауксетика с набором необходимых свойств.

На данный момент ученые продолжают исследовать новые области применения и внедрения ауксетического метаматериала под конкретные задачи спинальной хирургии, чтобы обеспечить комфорт, поддержку и безопасность людям с проблемами позвоночника.

Ученые научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Университета МИСИС в рамках реализации федеральной программы «Приоритет-2030» ведут разработки в области тканевой инженерии, биофизики, адресной доставки лекарств и биопечати, новых технологий и материалов, повышающих эффективность терапии. В стратегическом проекте «Биомедицинские материалы и биоинженерия» объединены усилия ведущих вузов, научно-исследовательских центров, инновационных предприятий страны. Одно из ключевых направлений консорциума «Инженерия здоровья» – создание линейки спинальных кейджей, которые смогут вернуть к нормальной жизни тысячи людей. На производственной площадке КОНМЕТ – одного из бизнес-партнеров по консорциуму – проведены исследования по разработке технологии формирования межпозвонковых кейджей методом 3D-печати. Промышленное производство медицинских изделий планируется запустить в 2025 году.

Источник: НИТУ МИСИС