Напечатать "кость": ученые ТПУ "приручают" композиты для имплантологии

ТОМСК, 17 сен – РИА Томск. Томские политехники стали на шаг ближе к выводу собственной разработки на рынок: они напечатали на 3D-принтере костный имплантат из биодеградируемого композита, который испытали в Центре Илизарова в Кургане. Первые результаты эксперимента говорят, что опыт удался, в будущем проект может быть востребован отечественной имплантологией. Подробности – в материале РИА Томск.

Композит vs титан

Томский политехнический университет (ТПУ) и Центр Илизарова (а он считается одним из самых успешных учреждений России, специализирующихся на восстановительной травматологии и ортопедии) сотрудничают на протяжении многих лет.

Один из предыдущих совместных проектов – апгрейд пористых титановых имплантатов, которые печатают на 3D-принтере. Инженеры ТПУ научились формировать специальные кальций-фосфатные покрытия для таких конструкций: полученная "пленка" повышает биоактивность костных имплантатов, а это значит, что восстановление пациента идет куда быстрее и эффективнее.

По словам руководителя коллектива лаборатории гибридных биоматериалов Сергея Твердохлебова, в регенеративной медицине и травматологии успешно используются металлические имплантаты из нержавеющих сталей, титановых, кобальт-хромовых сплавов.

"В современной ортопедии предпочтение отдается титановым сплавам благодаря их хорошим биоинертности, механическим свойствам, наиболее близким к свойствам кости по сравнению с другими металлами и так далее", – рассказывает Твердохлебов.

Какие минусы у металлических имплантатов: самый очевидный – они остаются в организме пациента до конца жизни (это может привести к воспалительным реакциям на продукты их окисления в организме, металлозам, воспалительным процессам вследствие неравномерного распределения нагрузок на окружающие костные ткани, вплоть до потери имплантата) или удаляются из организма после окончания остеосинтеза (потребуется еще одна операция).

"Титановые 3D-имплантаты с различными покрытиями можно использовать для замещения самых разных дефектов. Например, когда у человека нет фрагмента кости. Но это металл, он остается навсегда. А поставьте биодеградируемый композит – выполнит свою задачу и растворится", – подчеркивает Твердохлебов.

Последние несколько лет политехники "приручают" такие биодеградируемые полимерные и композиционные материалы, которые являются лучшей альтернативой металлам и не требуют удаления из организма.

Композит – это смесь из основы и различных наполнителей. По мнению экспертов 3D-принтинга, именно многокомпонентность может решить современные проблемы различных отраслей, с которыми уже не справляются традиционные материалы.

"К их основным преимуществам можно отнести способность разлагаться в организме на нетоксичные мономеры и далее в процессе гидролиза на воду и углекислый газ. В первые недели после установки такой имплантат выполняет роль каркаса, направляя и поддерживая формирующиеся костные ткани, но в то же время начинает постепенно растворяться. После полного растворения имплантат замещается новообразовавшейся костной тканью", – рассказывает ученый.

От 3D-печати до идеальной картинки

Сотрудники лаборатории смешали полимолочную кислоту с фосфатом кальция и из них напечатали на 3D-принтере кусок искусственной берцовой кости собаки.

"Мы изготовили биодеградируемый композитный филамент (материал для 3D-принтера) с помощью экструдера – прибора, который можно сравнить с мясорубкой: берется основа, смешивается, продавливается. Не так просто, конечно, как я описываю, есть определенные ноу-хау и особенности, но смысл примерно такой. Потом напечатали 3D-имплантаты", – объясняет Твердохлебов.

В качестве наполнителя для биодеградируемой полимерной матрицы политехники взяли гидроксиапатит, который является полным аналогом основного минерального компонента кости и придает композиту биоактивные свойства.

"Обеспечивая дополнительный источник ионов кальция и фосфора, гидроксиапатит стимулирует рост костной ткани и позволяет сократить сроки регенерации. Помимо стимуляции остеогенеза, гидроксиапатит также благоприятно влияет на окружающие мягкие ткани, а это позволяет восстановить приток крови и справиться с воспалительным процессом быстрее, чем при использовании чистых полимеров", – комментирует ученый.

Магистрант второго курса Глеб Дубиненко доставил изготовленные имплантаты в Центр Илизарова, где провели уникальный эксперимент – "искусственную кость" имплантировали собаке.

"Этот проект является частью моей магистерской диссертации. На операции я не присутствовал, но следил за подготовительными и восстановительными работами, – рассказал РИА Томск Дубиненко. – Сейчас врачи наблюдают за подопытным животным: регулярно делают рентгеновские снимки и берут необходимые анализы".

Так как имплантат был напечатан из композиционного материала, внутренняя структура его выполнена в виде системы взаимосвязанных открытых пор. За счет внутренней пористости регенерация костной ткани происходит равномерно, по всему сечению имплантата, и есть возможность формирования кровеносных сосудов внутри кости.

"Он зарастает костью, в него прорастают сосуды. Имплантат постепенно рассасывается", – комментирует магистрант рентгеновские снимки.

Специалисты рассчитывают, что в финале они получат идеальную картинку: созданную политехниками "кость" заменит настоящая, живые ткани покажут хорошее взаимодействие с композитом.

Дорогое будущее

"После завершения эксперимента и получения финальных результатов мы сможем приступить к дальнейшему развитию проекта. В будущем, возможно, получится вывести технологию на медицинский рынок и использовать ее в имплантологии", – говорит Твердохлебов.

Дубиненко в свою очередь объясняет преимущества напечатанного в Томске композитного имплантата: "Он обладает большей деградацией (быстрее рассасывается) по сравнению с некоторыми другими материалами для имплантологии. Этот композит деградирует предсказуемо, что очень важно: необходимо, чтобы деградация шла параллельно с ростом кости, ни быстрее, ни медленнее".

Один из этапов эксперимента, по словам магистранта, – механические испытания, то есть проверка композитного имплантата на прочность: "Также это испытания на сжатие по ГОСТу. Мы печатаем образцы, чтобы понять, на что композит разлагается, какие продукты получаются. Полимолочная кислота деградирует до молочной, а она естественный для организма продукт, но повышенная ее концентрация не нужна". 

Сейчас политехники закупают сырье, из которого можно будет приготовить более совершенный композит для продолжения эксперимента.

"Биорезорбируемые композиты – дорогостоящее удовольствие. На сырье для одного эксперимента нужно около 500 тысяч рублей. А исследований таких должно быть много: посмотреть соотношение наполнителей, различные пропорции и так далее. Наука вообще очень дорогая отрасль", – сетует Твердохлебов.

По его словам, политехники используют для этой работы в основном сырье импортного производства, качество которого подтверждено советующими сертификатами. Но и в России проводятся разработки и выпускаются опытные партии биорезорбируемых полимеров медицинского назначения.

А чтобы выйти на эксперименты на людях, необходимо будет пройти определенные стадии, в том числе получить разрешение этического комитета. Но пока ученые не ставят перед собой такую задачу и намерены сосредоточиться на совершенствовании композита и технологии в целом.

Твердохлебов добавляет, что проект междисциплинарный, в нем принимают участие несколько коллективов Томского политеха, в том числе работающих под руководством Виктора Филимонова, Виктора Новикова, Геннадия Ремнева.

Справка: Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" имени академика Гавриила Абрамовича Илизарова (Центр Илизарова) – уникальное медицинское и исследовательское учреждение. Это родина чрескостного остеосинтеза: метод сегодня применяют более чем в 60 странах мира.

Лечение и реабилитацию в центре ежегодно проходят более девяти тысяч человек, здесь лечат абсолютно все заболевания и травмы опорно-двигательного аппарата.