Исследование процесса образования и распространения трещин в костных имплантатах — скаффолдах, происходящих при монотонной осевой нагрузке, помогло ученым Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) выявить наиболее устойчивую к повреждениям структуру такого имплантата, 17 октября сообщает пресс-служба вуза.

Специальные имплантаты — скаффолды, предназначены для быстрейшего заживления поврежденной в результате травмы или болезни костной ткани. Их пористый каркас имитирует структуру и свойства костной ткани и должен быть устойчив к возникающим нагрузкам.

Однако ежедневные нагрузки, которые испытывают кости, воздействуя на скаффолды, могут разрушать их или способствовать возникновению в них трещин, что оказывает негативное влияние на заживление травмы.

Исследование, проведенное учеными Пермского политеха, поможет специалистам выбрать наиболее эффективную для заданных нагрузок структуру скаффолда, изготовленного по аддитивной технологии из полилактидного материала на основе трижды периодических минимальных поверхностей (TPMS).

Результаты исследования были представлены в статье «Распространение трещин в каркасах TPMS при монотонной осевой нагрузке: влияние морфологии» (Crack propagation in TPMS scaffolds under monotonic axial load: Effect of morphology), опубликованной в журнале Medical Engineering & Physics, том 132, 2024 год.

Кости человека и их имплантаты при его жизни испытывают различные нагрузки, причем даже в статичном вертикальном положении. Например, на бедренную кость в этом случае сверху давит сила тяжести веса торса, головы и рук, а снизу, на коленный сустав действует сила опоры.

Постоянные нагрузки способствуют возникновению риска повреждения имплантированного скаффолда. Такое повреждение ухудшит его способность поддерживать рост костной ткани, а также может стать причиной инфекций и воспаления из-за нарушения целостности каркаса. При этом реакция скафолда на разрушающие воздействия зависит от структуры скаффолдов.

Чтобы установить этот факт, ученые ПНИПУ исследовали процессы образования трещин в TPMS-скаффолдах с разной структурой при растягивающих (поднятие тяжестей вытянутыми руками) и сжимающих (вес тела) нагрузках. Всего было рассмотрено четыре вида костных имплантатов с разными типами структуры.

Структура таких скаффолдов представляет собой сложную сеть повторяющихся элементов (ячеек), между которыми остаются пустые пространства — поры. Каждый исследованный вид отличался направлением получаемого узора.

Влияние растягивающей и сжимающей нагрузки для имплантата каждого вида моделировалось специальной программой, воссоздающей условия реального эксперимента с ростом трещин по произвольным путям. Разработанный алгоритм позволял выделять зоны потенциального роста трещин.

Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов рассказал о проведенном исследовании:

«Мы проанализировали модели различных типов структур скаффолдов, созданных на основе наиболее часто используемых ячеек, и выяснили, что при прочих равных геометрических характеристиках процесс разрушения сильно зависит от строения пористой структуры».

Кроме того, исследователи установили, что бóльшая жесткость изделия увеличивает вероятность возникновения трещин и более быстрого разрушения структуры при растяжении.

«На основе методов численного моделирования разрушения и распространения трещин можно выбрать структуру скаффолда, которая будет наиболее эффективна с точки зрения механического отклика при заданных нагрузках», — отметил старший преподаватель, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Александр Шалимов.

Понимание механизмов разрушения имплантатов, которое получили в результате данного исследования ученые, дает возможность в будущем разрабатывать новые более эффективные и прочные искусственные заменители костной ткани.