В России разработаны эндопротезы с имитацией структуры настоящей кости

Специалисты Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) «Цифровой инжиниринг» разработали инновационные эндопротезы суставов, которые способны имитировать структуру естественной кости. В отличие от традиционных металлических имплантатов, новые протезы имеют тонкостенные решетчатые конструкции, которые являются сверхпрочными и позволяют костной ткани пациента врастать в их пустоты.

Ведущий инженер ПИШ СПбПУ Михаил Жмайло объяснил, что цель разработки заключалась в том, чтобы имплантат стал не просто статичной опорой, а активной средой, способствующей регенерации. За счет изменения геометрии ячеек можно программировать материал, задавая ему необходимую жесткость для конкретных свойств кости, а также создавая внутри пор условия для роста новой ткани. Проектирование будущего имплантата начинается на этапе цифрового моделирования.

Стандартные металлические имплантаты часто оказываются слишком жесткими, что приводит к их расшатыванию и атрофии кости, так как они «отбирают» нагрузку. Инженеры из Политеха решили эту проблему с помощью мета-биоматериалов, представляющих собой сложные решетчатые структуры, напоминающие пчелиные соты. Жесткость имплантата настраивается индивидуально для каждого пациента, обеспечивая физиологическое распределение нагрузки при ходьбе. Пустоты внутри решетки функционируют как строительные леса, стимулируя стволовые клетки к образованию новой костной ткани в титановой основе.

Компьютерное моделирование показало, что всего за три месяца биоматериал способен полностью заполнить каркас искусственного протеза. Перед печатью имплантатов из титанового сплава, цифровые копии прошли испытания на суперкомпьютере в различных сценариях, включая спокойную ходьбу и подъем по лестнице. Во всех случаях напряжения не достигли критических значений. Определено, что решетчатые структуры типа Diamond подходят для бедренной кости, в то время как для сложной анатомии таза лучше использовать Gyroid.

Алексей Боровков, директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и научный руководитель проекта, отметил, что итогом работы стала не только конкретная конструкция, но и методология, позволяющая проектировать имплантаты с предсказуемым поведением для различных клинических ситуаций. В будущем планируется создавать имплантаты, адаптированные к анатомии и образу жизни конкретного пациента, что открывает новые горизонты для разработки ортопедических конструкций нового поколения. В рамках гранта Российского научного фонда ученые намерены продолжить исследования и адаптировать технологию для полимерных имплантатов позвоночника.