Благодаря новой структуре материала межпозвонковые имплантаты станут долговечнее

Ученые Университета МИСИС запатентовали метод 3D-печати уникального трехмерного каркаса из ауксетических метаматериалов, который может быть использован для  имплантатов, протезов и межпозвонковых кейджей в медицине будущего.

Ауксетики – это особый класс метаматериалов, которые ведут себя необычным
образом, когда их растягивают или сжимают. Вместо того чтобы расширяться во все
стороны, они сжимаются в поперечном направлении. Например, резинка при
растягивании становится длиннее, но при этом тоньше в ширину. Это происходит
потому, что материал имеет отрицательный коэффициент Пуассона. Медицинские
применения ауксетиков включают протезирование, ортопедические изделия,
эргономичные приспособления, устройства для повышения производительности,
медицинские устройства in vitro для взаимодействия с клетками и передовые
медицинские клинические продукты, особенно скаффолды тканевой инженерии с живыми
клетками.

«Ауксетические метаматериалы благодаря своей необычной структуре могут быть
оптимальны для нагрузок, которые испытывает человеческий организм. Такие
структуры способны эффективно амортизировать удары и вибрации, снижая риск
повреждений костей и суставов. Ауксетики на основе сотовой ячейки подходят для
использования в таких изделиях, как скаффолды, костные имплантаты, кейджи и
другие. Ауксетики на основе вращающейся геометрии лучше для гибких медицинских
изделий, таких как стенты, кожно-мышечные пластыри или скаффолды для мягких
тканей», – отметил соавтор патента к.ф.-м.н Фёдор Сенатов, директор НОЦ
Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС.

В качестве замены классических пористых структур, используемых в костных
трансплантатах, наиболее перспективными являются ауксетики на основе сотовой
ячейки. Согласно клиническим исследованиям в 12% случаев спинальные кейджи после
имплантации мигрируют, а в 5% полностью разрушаются под нагрузкой, так как
межпозвонковые диски выполняют функцию амортизатора механических воздействий,
обеспечивают определенный угол сгибания, скручивания и вращения между соседними
позвонками. Геометрия, образующая ауксетические метаматериалы, играет важную
роль в варьировании свойств кейджей, потенциально снижая эффект экранирования
напряжений и увеличивая срок службы изделия.

Ученый НИТУ МИСИС Владислав Львов усовершенствовал коммерчески доступный
межтеловой кейдж за счет внедрения структуры ауксетического метаматериала в
объем изделия. Непосредственно кейдж был получен с помощью 3D-печати порошком из
титанового сплава Ti-6Al-4V.

«3D-печатные кейджи из ауксетических метаматериалов со структурами с углом
наклона между ребрами меньше 90 ̊ демонстрируют более высокую статическую
прочность на сжатие и усталостную прочность. Поэтому они могут стать отличной
основой для межпозвонковых кейджей, поддерживая участки поврежденного
позвоночника и способствуя росту костной ткани при лечении дегенеративного
заболевания диска», — прокомментировал к. ф.-м. н. Владислав Львов, инженер 1
категории НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС.

Для оптимизации протеза межпозвонкового диска под ауксетический метаматериал
использовалось параметрическое твердотельное моделирование. На первом этапе
выделяется элементарная конфигурация ячейки ауксетика. На втором этапе с помощью
компьютерной программы создается параметрическая система с взаимосвязанными
размерами. Система объединяет в себе базовый участок ячейки с геометрическими
параметрами делая их взаимосвязанными, таким образом, что при изменении одного
параметра, изменяются другие. Затем компьютерный алгоритм моделирует
механические, тепловые и другие испытания. В итоге выбирается оптимальная
геометрия ауксетика с набором необходимых свойств.

На данный момент ученые продолжают исследовать новые области применения и
внедрения ауксетического метаматериала под конкретные задачи спинальной
хирургии, чтобы обеспечить комфорт, поддержку и безопасность людям с проблемами
позвоночника.

«Ученые научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Университета
МИСИС в рамках реализации федеральной программы «Приоритет-2030» ведут
разработки в области тканевой инженерии, биофизики, адресной доставки лекарств и
биопечати, новых технологий и материалов, повышающих эффективность терапии, —
говорит ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова. — В стратегическом проекте
«Биомедицинские материалы и биоинженерия» объединены усилия ведущих вузов,
научно-исследовательских центров, инновационных предприятий страны. Одно из
ключевых направлений консорциума «Инженерия здоровья» – создание линейки
спинальных кейджей, которые смогут вернуть к нормальной жизни тысячи людей. На
производственной площадке КОНМЕТ – одного из бизнес-партнеров по консорциуму –
проведены исследования по разработке технологии формирования межпозвонковых
кейджей методом 3D-печати. Промышленное производство медицинских изделий
планируется запустить в 2025 году».