Ученые Пермского Политеха выяснили, что микроповреждения в имплантатах из композита способствуют срастанию с костью

С возрастом тазобедренный сустав человека изнашивается и может требовать частичной замены. В последние годы для изготовления эндопротезов активно используется углеродный композит, который, в отличие от металлического протеза, имеет более высокие характеристики биосовместимости – способность приживаться.

С точки зрения механики данный материал, матрица которого состоит из
кристаллитов, является неоднородным, поэтому при случайных нагрузках – толчках и
беге – на нем могут появляться повреждения. Пермские ученые обнаружили, что
поверхность имплантата особым образом взаимодействует с кровью: притягивает
тромбоциты (клетки, отвечающие за свертывание) и белок фибриноген, который
скрепляет их в плотную сеть. Это способствует образованию кровяного сгустка
вокруг искусственного сустава, что позволяет ему срастаться с организмом.

Исследование опубликовано в журнале «Russian Journal of Biomechanics», 2024,
№2. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и
высшего образования Российской Федерации на проведение фундаментальных научных
исследований (проект FSNM-2023-0006).

Рост популярности эндопротезирования тазобедренного сустава связан с
увеличением продолжительности жизни. После сорока лет процессы восстановления
мышечной и костной ткани замедляются, что связано с рядом факторов, среди
которых ключевую роль играет снижение выработки половых гормонов: эстрогена у
женщин и тестостерона у мужчин. Эстрогены заставляют клетки, которые строят
кость (остеобласты), работать активнее. Дефицит эстрогенов, возникающий у женщин
в период менопаузы, нарушает баланс между образованием и разрушением костной
ткани, смещая его в сторону рассасывания, что способствует развитию остеопороза.
Аналогичные, хотя и менее выраженные, возрастные изменения наблюдаются и в
мужском организме.

Суть операции заключается в замене пораженного соединения между бедренной и
тазовой костями искусственным аналогом из углерод-углеродного композита, который
не вызывает воспаления, не растворяется и не изменяется в теле – просто
выполняет свою функцию. Поскольку данный сустав является одним из наиболее
нагруженных подвижных соединений в теле человека, то при экстремальных
нагрузках, например, во время бега или толчков, материал протеза повреждается,
появляются микроповреждения. Благодаря им увеличивается проницаемость и клетки
костной ткани могут «просачиваться» вглубь имплантата, способствуя сохранению
несущей способности и помогая ему срастись с организмом.

На основе данных компьютерной томографии ученые Пермского Политеха создали
цифровые пространственные модели костей таза и бедра, а также самого эндопротеза,
включая вертлужную впадину, ножку и головку. На ножке протеза они выделили
четыре зоны, в которых, как известно из прошлых исследований, часто возникают
повреждения.

— Чтобы понять, как поведет себя протез с деформациями, мы провели сложные
компьютерные расчеты в два этапа. Сначала представили, как изменится материал
протеза, когда в его поры врастут новые костные клетки (остеобласты). Затем,
используя программу Ansys Material Designer, рассчитали, насколько прочным
станет протез с таким «усилением». Для проверки результатов создали на
компьютере виртуальную модель системы «скелет — протез» и смоделировали, как
имплантат будет вести себя при нагрузке, сравнимой с той, что возникает при
ходьбе, беге, толчках. В результате этих расчетов получили карту распределения
напряжений и деформаций в протезе и смогли оценить, как меняется прочность
изделия в зависимости от степени его «обрастания» костной тканью, — поделился
младший научный сотрудник кафедры механики композиционных материалов и
конструкций Егор Разумовский.

— После проникновения клеток костной ткани в поры эндопротеза происходит
ангиогенез — прорастание сосудов, обеспечивающих кровоснабжение и метаболизм
новообразованной кости. Далее формируется белковая структура, образуется
сгусток, и в завершение создается костно-углеродный каркас. Это частично
восстанавливает упругие свойства материала и может блокировать дальнейшее
распространение повреждений. Моделирование показало, что после остеоинтеграции
эндопротеза зоны с высокими напряжениями сокращаются в 5,5 раза. Это значит, что
кость равномерно передает нагрузку, и человеку можно активнее двигаться, а сам
имплантат не придется менять раньше времени, — сообщил доцент кафедры механики
композиционных материалов и конструкций, кандидат физико-математических наук
Вячеслав Шавшуков.

Исследование демонстрирует, что улучшение механических свойств за счет
остеоинтеграции может повысить долговечность эндопротезов. Это особенно важно
для пациентов, ведущих активный образ жизни, так как повреждения материала могут
возникать незаметно, но впоследствии компенсироваться биологическими процессами.