Группа исследователей из Сколковского института науки и технологий, НИТУ «МИСиС» и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета разработали технологию биомиметических имплантатов. По свойствам они соответствуют костным тканям человека — поэтому и называются биомиметическими.

Проектирование имплантатов — сложнейшая проблема. Здесь объединяются сразу несколько наук — инженерия, материаловедение и медицина. Тут на помощь приходят современные технологии. В первую очередь — аддитивное производство. За этим сложным термином скрывается трёхмерная печать: деталь создаётся по электронной модели с помощью добавления материала, как правило, слой за слоем.

Металлические имплантаты применяются с незапамятных времён. В начале этого века во Франции в городке Ле-Шен археологи нашли череп женщины, умершей около 2300 лет назад, — и в лунке клыка верхней челюсти у неё был металлический имплантат. В 2020 году СМИ объявили о находке в Перу черепа со вживлённой металлической пластиной, которому «тысячи лет». Правда, эксперты усомнились в его подлинности.

Современные учёные научились подбирать биосовместимые материалы для имплантатов. Но для быстрого и лёгкого восстановления пациентов после операции ещё нужно, чтобы по прочности и гибкости имплантаты не отличались от натуральных костных тканей. А кроме того, обладали достаточной проницаемостью — для нормального обмена веществ в организме.

Эти проблемы взялась решить объединённая группа исследователей из Сколковского института науки и технологий, Московского государственного институт стали и сплавов и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Для создания биомиметического имплантата они использовали нитинол, или никелид титана — материал, обладающий сверхупругостью, то есть памятью формы. По деформационным свойствам он близок к кости, но жёстче. Чтобы снизить жёсткость, имплантат решили сделать пористым.

Implant 2.jpeg

Один из авторов разработки, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Чернышихин пояснил, что необходимо было обеспечить жёсткость и гибкость, как у костной ткани. Ведь в случае повышенной жёсткости имплантата нагруженное состояние кости изменится, и ткань, по закону Вольфа, станет более хрупкой. Изменяя пористость, можно адаптировать механические свойства имплантата под кость пациента. Раньше это делали с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а теперь доступны новые технологии 3D-печати.

Пористость также обеспечивает проницаемость — для транспортировки питательных веществ в организме.

«Необходимое условие правильного функционирования имплантата — возможность осуществления транспорта веществ по внутренним каналам. Сейчас в основном уделяют внимание механическим свойствам имплантата, но он должен не только нести нагрузку. Мы предлагаем развивать этот подход и работать также над другими свойствами. В этом исследовании мы сосредоточились на проницаемости», — указал соавтор исследования, аспирант Сколтеха Алексей Шиверский.

Учёные использовали метод лазерной плавки, сферический порошок никелида титана российского производства и собственную установку. Порошок в установке распределяется из дозатора на пластину, иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия в среде инертного газа плавит порошок выборочно, обеспечивая металлу необходимую прочность. И так — слой за слоем. Такой метод позволяет создавать практически любые формы. За основу взяли элементарную ячейку гироида — то есть форму, свойственную полостям в костях.

Испытания на биосовместимость проводили в Самарском медицинском университете. Исследователи поместили диски с пористыми структурами в культуральный раствор со стволовыми клетками человека и наблюдали с помощью микроскопов и автоматизированного счётчика, могут ли клетки делиться и прорастать в диски. В результате выяснили: чем больше поверхность, тем легче клетки закрепляются, а чем больше пористость, тем лучше транспорт веществ и рост.

Следующий этап исследования — вживление имплантата реальному пациенту. Специалисты из лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Томского государственного университета методом томографии восстановили отсутствующую часть носовой перегородки пациента. Вскоре ему проведут операцию с использованием имплантата из нитинола.

Подробная статья об этой разработке опубликована в Journal of Bioprinting.

Разработаны биомиметические имплантаты