Составной хрящ: новые биоподобные материалы помогут лечить позвоночник
Российские ученые запатентовали технологию создания методом 3D-печати природоподобных материалов с программируемыми свойствами. Новая методика позволяет получить структуры, которые имитируют живую костную или хрящевую ткань человеческого организма. На базе своих разработок ученые намерены производить заменители межпозвонковых дисков и другие имплантаты. Их серийное изготовление может начаться в 2025 году. Эксперты отметили перспективность технологии для создания материалов будущего.
Ячеистые конструкции
Ученые Университета науки и технологий МИСИС запатентовали новый способ изготовления изделий из биоподобных материалов с ауксетическими свойствами. Ауксетиками называют вещества, которые обладают необычными физическими качествами. Например, при растяжении они становятся не тоньше, как обычные материалы, а толще. А при сжатии не уменьшаются, а увеличиваются.
Это происходит из-за особой формы конструкций, из которых они состоят. Обычно ауксетики содержат вогнутые элементы, которые и обеспечивают необычные физические качества. С греческого языка термин переводится как «то, что стремится к увеличению».
Свои разработки ученые рассчитывают применить прежде всего для создания заменителей костных и хрящевых тканей человеческого организма.
Благодаря своим особенностям, ауксетические материалы демонстрируют ряд полезных механических свойств. В частности, они могут поглощать внешнее давление. Также они хорошо сопротивляются разрушению и выдерживают многократные циклические нагрузки. В человеческом организме образцами ауксетиков могут служить кровеносные сосуды и трубчатые кости.
В настоящее время разработаны множество способов получения ауксетиков. Однако революцию в этой области произвели современные вычислительные технологии и 3D-печать. С их помощью ученые получили возможность разрабатывать и производить массу разнообразных конструкций с ауксетическими свойствами.
Исследования московских ученых также лежат в этой области. Особенность их разработки заключается в том, что они научились заранее «программировать» свойства ауксетиков в соответствии с поставленными задачами.
— Свойства материалов зависят от их внутренней структуры. Например, от размера пор и толщины ребер между ними. Наш подход позволяет конструировать новые материалы из геометрически правильных ячеек. Например, регулируя остроту угла между ребрами ячеек, мы может получать требуемые характеристики, — рассказал соавтор разработки, инженер Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Владислав Львов.
Позвоночные кейджи
Процесс создания материала состоит из нескольких стадий. Сначала в специальную программу задаются нужные параметры по пористости и размеру пор, затем вычисляется оптимальный размер и форма ячейки. В том числе учитываются возможности аддитивных технологий. Потом ячейками «застраивается» весь объем, который необходимо заполнить. После спроектированная модельная конструкция отправляется на 3D-печать.
— Эксперименты показали, что печатные ячейки, в которых углы между краями меньше, чем прямой угол (ауксетические материалы) обладают более высокой статистической прочностью на сжатие и усталостной прочностью, чем ячейки на основе структур с углом наклона более 90 градусов (сотовые структуры), — отметил Владислав Львов.
Наиболее перспективное направление для применения своих разработок ученые увидели в создании природоподобных материалов. В том числе они разработали технологию по изготовлению методом 3D-печати позвоночных кейджей — искусственных имплантатов, которые используют для полной или частичной замены межпозвоночного диска. Они выполняют функцию амортизаторов при различных нагрузках, которые испытывает позвоночник, и обеспечивают его гибкость. Кейджи применяют, когда возникает грыжа межпозвоночного диска или когда он истончается вследствие возраста.
— При операции поврежденный участок межпозвонкового диска удаляется и на его место ставится кейдж. Это, по сути, минидомкрат, задача которого поддерживать высоту позвоночника. Чаще всего кейджи делают из металлов или полимеров, — объяснил Владислав Львов.
Специалист пояснил: важно сделать так, чтобы механические свойства материала кейджа и кости, которые он соединяет, соответствовали друг другу. Если материал будет слишком твердым, то будет крошиться позвонок, а если слишком рыхлым, то разрушится сам кейдж. В итоге потребуется новое хирургическое вмешательство.
— Использование ауксетиков позволяет решить эту проблему, поскольку по своей структуре они имитируют нативную, то есть родную костную ткань организма, — рассказал ученый.
Материалы будущего
Владислав Львов отметил, что полученные экспериментальные образцы позвоночных кейджей с ауксетической структурой, сделанные из сплава титана, показали высокую прочность и выносливость при испытаниях.
— Применение ауксетических материалов — это не новая технология. Но современные аддитивные и вычислительные методы дали ей второе рождение. В том числе в области персонифицированной медицины, — подчеркнул заслуженный врач России, директор Санкт-Петербургского НИИ скорой помощи Вадим Мануковский.
На основе ауксетиков можно создать медицинские фиксаторы, которые будут идеально охватывать отдельные части человеческого тела, повторяя их индивидуальные особенности. Например, сломанный палец, поясницу или шею, пояснил эксперт.
— Если ученые будут развивать технологии по созданию ауксетиков с программируемыми свойствами, это откроет им широкие перспективы в создании материалов будущего, — рассказал «Известиям» инженер-изобретатель, генеральный конструктор инжиниринговой компании Unitsky String Technologies Inc. Анатолий Юницкий.
Он предположил, что такие материалы будут востребованы в обшивке космических аппаратов. Благодаря своим свойствам они смогут поглотить энергию удара микрометеорита или космического мусора и спасти дорогостоящую технику. В таком же качестве ауксетики будут полезны при создании инопланетных станций. В области медицины на основе ауксетиков можно создавать перевязочные материалы, которые пропорционально распределяют лекарства. В целом диапазон их применения в различных сферах нашей жизни в скором времени может оказаться очень широким, считает специалист.
— Исследования в сфере разработки новых биомедицинских материалов, специалисты исследовательских Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии проводят в рамках федеральной программы «Приоритет-2030». При этом создание линейки спинальных кейджей, которые смогут вернуть к нормальной жизни тысячи людей, — это одно из ключевых направлений, — рассказала ректор Университета МИСИС Алевтина Черникова.
Руководитель подчеркнула, что промышленное производство этих изделий будет запущено на одной из партнерских производственных площадок в 2025 году.
В дальнейшем ученые намерены продолжать разработку биоподобных имплантатов на основе ауксетических материалов и для других частей человеческого организма.