«Умная кость»
Российские ученые создали имплантат с памятью формы
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН разработали биомедицинские каркасы (скаффолды) со структурой гироида, обладающие эффектом памяти формы, который активируется при температурах, близких к физиологическим. Это свойство делает материал перспективным для использования в инженерии костной ткани, так как обеспечивает минимально инвазивное внедрение имплантата и потенциально улучшает его интеграцию с костной тканью.
Фото: ТПУ
Фото: ТПУ
Исследование выполнено при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030» национального проекта «Молодежь и дети». Результаты работы ученых опубликованы в журнале Polymers (Q1, IF: 4,9).
Полимерные скаффолды — перспективный материал для регенеративной медицины. Благодаря технологии 3D-печати можно создавать биосовместимые скаффолды сложных форм, структура и механические свойства которых приближены к свойствам живых тканей. Такие скаффолды помогают восстанавливать, поддерживать и улучшать функции поврежденных тканей. В частности, их можно использовать в качестве «самоустанавливающихся» имплантатов для замещения обширных дефектов кости.
«По выдвинутой гипотезе биодеградируемый скаффолд изготавливают по форме дефекта кости. Затем его нагревают, сжимают и охлаждают в таком виде, чтобы получить временную компактную форму. Во время операции через небольшой разрез хирург вводит скаффолд в целевую область. При нагреве до температуры тела скаффолд “вспоминает” свою исходную форму и расширяется, точно заполняя дефект. Это обеспечивает плотное прилегание к кости без необходимости механической подгонки хирургом во время операции и делает медицинское вмешательство менее травматичным для пациента. Для ускорения процесса в клинических условиях может применяться дополнительный локальный мягкий нагрев»,— рассказывает соавтор исследования, инженер-исследователь научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Анастасия Фетисова.
Ученые ТПУ с помощью метода послойной 3D-печати получили биосовместимые скаффолды со структурой гироида на основе биодеградируемого полилактида, пластифицированного полиэтиленгликолем. Добавление десяти массовых процентов полиэтиленгликоля позволило снизить температуру стеклования полилактида до 36–39°C.
«Лабораторные эксперименты показали, что скаффолды с 10 массовыми процентами полиэтиленгликоля и структурой гироида восстанавливают исходную форму на 97% за шесть минут при температуре воды 40°C. Это стало возможным благодаря оптимальному составу скаффолдов и их пористой структуре гироида, которая обеспечила равномерный теплообмен и проникновение воды»,— рассказывает инженер-исследователь научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Абдулла бин Фироз.
Ранее большинство исследований проводилось при более высоких температурах, поскольку чистый полилактид демонстрирует эффект памяти формы выше 60°C. Несмотря на эффективность такого нагрева для восстановления формы, он неприемлем для контакта с живыми тканями из-за риска их повреждения.
Фото: ТПУ
Фото: ТПУ
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение механических и усталостных характеристик скаффолдов в условиях, имитирующих нагрузки, характерные для костной ткани, а также на проведение доклинических испытаний. Это позволит определить оптимальные состав и структуру скаффолдов, обеспечивающие сочетание высокого эффекта памяти формы, механической прочности и биосовместимости.
«Таким образом, наша работа закладывает основу для безопасного и эффективного применения биодеградируемых скаффолдов в организме человека»,— резюмирует директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ профессор Роман Сурменев.
В исследованиях принимали участие сотрудники научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы», международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», Института физики прочности и материаловедения СО РАН.