В Санкт-Петербурге предложили создавать похожие на кость имплантаты

МОСКВА, 30 сен — РИА Новости.

Российские исследователи предложили более гибкий подход к 3D-печати костных имплантатов, используя разные титановые сплавы для отдельных слоев и участков изделия. Такой метод позволяет создавать конструкции, которые лучше соответствуют особенностям живой кости и потенциально меньше вызывают отторжение со стороны организма пациента. Разработку представили ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, а результаты работы опубликованы в журнале Metals.

По словам специалистов, при изготовлении имплантатов важно учитывать, что разные зоны будущей конструкции должны выполнять разные задачи. Одни участки обязаны выдерживать значительные нагрузки и сохранять прочность при изгибе, другие — обеспечивать надежное и быстрое приживление к костной ткани. Кроме того, в местах, где искусственный материал соприкасается с биологическими тканями, особенно важны дополнительные защитные свойства, в том числе антибактериальный эффект.

Ученые отмечают, что обычные имплантаты часто имеют одинаковые свойства по всему объему, хотя реальная кость устроена гораздо сложнее и неоднороднее. Именно поэтому применение нескольких типов титановых сплавов в рамках одной 3D-печатной конструкции может стать более перспективным решением для медицины. Такой подход открывает возможности для создания персонализированных имплантатов, которые будут лучше адаптированы к конкретному пациенту и условиям его лечения.

По мнению авторов исследования, подобные технологии могут в будущем повысить эффективность восстановления после травм и операций, сократить риск осложнений и улучшить долгосрочные результаты имплантации.

Если попытаться изготовить такие медицинские устройства из одного-единственного материала, он все равно не сможет одновременно соответствовать всем необходимым требованиям и обладать универсальной «суперстойкостью» к любым нагрузкам и воздействиям, пояснили в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ). На практике для медицинских имплантатов важно учитывать сразу несколько факторов: прочность, биосовместимость, устойчивость к износу, коррозионную стойкость и способность работать в условиях постоянных механических нагрузок. Поэтому задача ученых заключается не просто в подборе «лучшего» материала, а в грамотном сочетании разных материалов в одной конструкции.

Как отметил один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник и доцент Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ Игорь Полозов, имплантат следует рассматривать не как цельную деталь из одного металла, а как сложную конструкцию, где разные участки выполняют разные функции и потому могут быть выполнены из наиболее подходящих для них материалов. Такой подход позволяет добиться более высокой надежности и долговечности изделия, а также снизить риск осложнений после установки. При этом особенно важно, чтобы между разными материалами не возникало слабого соединения или «шва», поскольку именно в зоне стыка может появиться разрушение, способное привести к выходу всей конструкции из строя. Иными словами, только при надежном соединении и правильном подборе материалов такой «конструктор» сможет успешно работать в организме и выдерживать длительную эксплуатацию.

Современные исследования в области биомедицинской инженерии показывают, что создание сложных вживляемых конструкций с заданными свойствами действительно возможно, если использовать несколько титановых сплавов с разным составом. Такой подход особенно важен для имплантатов, которые должны одновременно быть прочными, биосовместимыми и устойчивыми к воздействию живых тканей. Кроме того, применение разных материалов в одной конструкции позволяет точнее настраивать ее свойства под конкретные задачи и условия работы внутри организма.

Ученые университета доказали, что для изготовления отдельных частей имплантата можно применять биосовместимые сплавы титана с танталом (Ti15Ta), сплав титана с танталом, ниобием и цирконием (Ti10Ta2Nb2Zr), а также сплав титана с ниобием, цирконием и медью (Ti13Nb13Zr5Cu). Особый интерес представляет последний вариант, поскольку присутствие меди в его составе помогает сдерживать рост бактерий и снижает риск инфекционных осложнений после операции. Это делает материал перспективным для создания имплантатов, которые должны не только хорошо приживаться, но и обеспечивать дополнительную защиту от микробов.

"Мы установили, что при 3D-печати методом селективного лазерного плавления между этими материалами образуются переходные зоны толщиной в несколько сотен микрометров, которые не уступают исходным сплавам по прочности, а значит, сохраняют надежность всей конструкции. Более того, такая структура позволяет объединять в одном изделии участки с разными функциями: одни обеспечивают высокую механическую устойчивость, другие — лучшую совместимость с тканями, а третьи — антимикробный эффект. В перспективе это открывает путь к созданию персонализированных имплантатов нового поколения, которые можно будет адаптировать под анатомию и потребности конкретного пациента."

Переписанный текст:

В ходе исследования ученые отдельно изучали, как живые клетки реагируют на каждый из использованных сплавов, проводя испытания в лабораторных условиях на культурах клеток костной и десневой ткани. Такой подход позволяет заранее понять, насколько безопасно и эффективно материал будет взаимодействовать с организмом после имплантации. Как пояснил Полозов, еще ближе приблизить имплантат по строению и механическим свойствам к настоящей кости можно за счет дополнительной настройки пористости каждого слоя, что особенно важно для успешного приживления и последующей работы конструкции.

Кроме того, специалисты отметили, что перед внедрением разработки в клиническую практику необходимо провести ряд дополнительных исследований. В частности, требуется тщательно проверить усталостные характеристики материала, его устойчивость к коррозии, а также биологический отклик переходных зон между различными сплавами, поскольку именно эти участки могут существенно влиять на долговечность и надежность имплантата. Такой комплексный анализ поможет оценить перспективы технологии не только с точки зрения прочности, но и с позиции биосовместимости и безопасности для пациента.

Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта № 25-79-00097.

Источник и фото - ria.ru