По словам исследователей ДГТУ, лечение дефектов твердых тканей критических размеров представляет собой серьезную проблему в клинической практике. Чтобы преодолеть недостатки традиционных методов лечения с использованием аллографтов (донорской кости), таких как ограниченная доступность, потенциальная передача заболеваний и отторжение инородных тел, разрабатываются синтетические материалы и методики, включающие 3D-печать.
Скаффолды представляют собой трехмерные пористые или волокнистые структуры, предназначенные для использования в качестве механической поддержки для роста клеток и регенерации тканей. В идеале они должны обладать специфическими свойствами, способствующими развитию функциональной костной ткани. Со временем они рассасываются, и костная ткань пациента восстанавливается. Скаффолды позволяют заместить участок кости с сохранением микрогеометрических параметров кости пациента.
Используя нейросети, разработанные партнерами по проекту, исследователями из Национального Университета Ченг-Кунг под руководством профессора Юн-Че Вонга (Тайвань), ученые создали методику определения эффективных свойств архитектурных решетчатых материалов с учетом их упругого, термоупругого и пластического поведения при разных нагрузках. Построены математические модели для исследования поверхностных свойств материалов, в частности для микропористых материалов.
Необходим высокий уровень связывания каркаса с органическими тканями для успешного завершения всех этапов процесса восстановления кости. Скорость этого процесса зависит от следующих факторов: отношение пористости каркаса к пористости кости, шероховатость наружной поверхности каркаса, совместимость материала имплантата с костной тканью и химический состав каркаса.
По словам Евгения Садырина, именно пористость играет существенную роль в процессах прорастания клеток кости в структуру скаффолда. Основная задача ученых – подбор оптимальных материалов с контролируемой микроструктурой.
Основная сложность нашей задачи состоит в том, чтобы сделать из полимера изделие, способное выдержать физиологические нагрузки кости человека, при этом в будущем обеспечивая контролируемую биорезорбируемость, то есть рассасывание с одновременным замещением костными клетками пациента. Для этого нужно тщательно оптимизировать структуру и свойства биосовместимых материалов и конструкций с целью достижения их механической совместимости с окружающими тканями пациента, чтобы избежать некроза тканей.
В ходе исследования свойства полимерного материала и костной ткани характеризуются с использованием наноиндентирования – специальной методики, позволяющей изучать механические свойства путем внедрения особого зонда (индентора) в материал. Способность скаффолда с заданной микроструктурой выдерживать физиологические нагрузки проверяется в ходе испытаний на сжатие внутри рентгеновского компьютерного микротомографа. С помощью устройства можно наблюдать деформирование материала в реальном времени. Исследователи изучили, как разные структуры заполнения с различными параметрами стенок выдерживают различную нагрузку.
Математическое моделирование позволяет прогнозировать механическое поведение скаффолда в зависимости от ряда параметров и оптимизировать его структуру, чтобы в конечном итоге получить изделие с желаемыми свойствами. Одной из особенностей исследования является то, что данные для математического моделирования берутся из реальных экспериментов, проводимых в нашей лаборатории.
Исследования проводятся в рамках гранта Российского научного фонда № 22-49-08014 «Исследования термомеханических свойств архитектурных материалов» (2022–2024 гг.).
Скаффолды – трехмерные пористые или волокнистые матрицы, обеспечивающие механический каркас для клеток. Их имплантация позволяет быстро заместить дефект и восстановить функции поврежденных тканей. Скаффолды представляют собой имитацию внеклеточного матрикса, и для их изготовления в настоящее время используют природные и синтетические полимеры, керамику.
Аллографт – трансплантат, выделяемый от представителя одного генотипа и пересаженный представителю другого генотипа в пределах одного вида.
Наноиндентор – твердый зонд определенной геометрической формы (шар, конус, пирамида) и размеров, вдавливаемый в поверхность исследуемого материала под действием заданной нагрузки для измерения механических характеристик материала: твердости, предела текучести, модуля упругости и других свойств.
