Ежегодно в России регистрируется от 120 до 150 тысяч сложных переломов, причем 10−15% из них требуют серьезной реконструкции. Традиционные методы восстановления костной ткани, такие как пересадка донорского материала, имеют ряд ограничений: риск отторжения, дефицит подходящих тканей и сложности в индивидуальном подборе.
В таких случаях медики все чаще прибегают к использованию биоразлагаемых каркасов, или скаффолдов. Эти конструкции вживляются в поврежденную область, поддерживая кость в процессе заживления, и постепенно растворяются в организме, не требуя дополнительного хирургического вмешательства. Однако у существующих скаффолдов есть серьезный недостаток — они не всегда точно повторяют естественную структуру кости, что может привести к атрофии соседних тканей, поломке имплантата и замедлению восстановления.
Ученые Пермского Политехнического университета провели масштабное исследование, чтобы определить, какие именно конструкции скаффолдов наиболее эффективны для регенерации костной ткани. Результаты их работы показали, что каркасы, созданные на основе диаграмм Вороного, на 99% соответствуют архитектуре и механическим свойствам натуральной кости. Это открытие может значительно улучшить качество лечения пациентов с тяжелыми переломами, артрозами и последствиями сложных операций.
Скаффолды изготавливаются из биосовместимых материалов, таких как полилактид, с использованием 3D-печати. Ключевая особенность таких конструкций — пористая структура, которая обеспечивает правильное прорастание клеток, доставку питательных веществ и кислорода. По мере восстановления кости скаффолд постепенно растворяется, полностью замещаясь новой тканью. Однако критически важным параметром является жесткость имплантата. Если она недостаточна, каркас может деформироваться или разрушиться под нагрузкой, что приведет к осложнениям.
В ходе исследования ученые сравнили три основных типа скаффолдов: гироидные структуры, диаграммы Вороного и BCC-решетки. Образцы, напечатанные на 3D-принтере, подвергались механическим испытаниям, имитирующим нагрузку, которую испытывает кость при ходьбе или прыжках. Результаты показали, что каркасы Вороного обладают модулем упругости 766,21 МПа, что практически идентично показателю натуральной кости (765,98 МПа). Гироидные структуры продемонстрировали значение 726,47 МПа, а BCC-решетки — всего 469,04 МПа.
При максимальной нагрузке, соответствующей весу в 400 кг, гироидные каркасы показали наименьший процент разрушения — всего 1,2%, тогда как у структур Вороного этот показатель составил 5%, а у BCC-решеток — 7,1%. Это означает, что гироидные конструкции и каркасы Вороного лучше распределяют нагрузку и более устойчивы к деформации.
Полученные данные позволяют сделать вывод, что скаффолды на основе диаграмм Вороного являются оптимальным выбором для восстановления костной ткани. Они не только соответствуют естественной жесткости кости, но и обеспечивают равномерное распределение нагрузки, снижая риск повреждения имплантата. Разработанные в Пермском Политехе технологии могут лечь в основу персонализированных имплантатов, которые значительно ускорят реабилитацию пациентов и уменьшат вероятность осложнений.
Ранее исследователи успешно протестировали электронный имплант, восстанавливающий движение у крыс после травмы спинного мозга.
