Вы насыпали немного больше муки, чем обычно, — пирог получился сухим, переборщили с водой — он не схватился. Некоторые добавляют в тесто корицу, а кому-то больше нравится без неё. Этот принцип работает и при создании протезов: важно найти оптимальное сочетание составляющих. И междисциплинарная группа ученых, в которую входят политехники, сейчас занимается исследованием потенциала полимеров-термопластов для создания имплантов. Преимущество этого материала в том, что можно подобрать состав сырья индивидуально под каждого пациента.
Проблема
Более полумиллиарда человек (по данным Всемирной организации здравоохранения на 2019 год) страдают остеоартритом, хроническим заболеванием, вызывающим повреждение хрящей и окружающих их тканей. Эти цифры на 113% больше показателя 1990 года. В ряде случаев единственный способ, как качественно изменить жизнь пациента при такой патологии, — операция. Самый распространенный материал для имплантов — титановый сплав Ti6Al4V, отличающийся высокой прочностью и биосовместимостью. Однако этот вариант нельзя назвать идеальным, такие изделия могут вызывать разрушение ткани вблизи контактной поверхности пар кость-имплантат. Кроме того, стандартные протезы из титановых сплавов не учитывают индивидуальных особенностей пациентов.
Решение, которое предлагает наука
Исследователи работают над созданием полимерных имплантов, чья прочность максимально приближена к прочности кости человека. Создание нового материала для будущего импланта условно можно сравнить с выпеканием пирога. Основные ингредиенты известны, однако их соотношение, добавки, а также взаимное влияние в процессе готовки могут привести к совершенно различным последствиям. И ученые как раз ищут идеальные пропорции. Подобные материалы в разы ускорят и удешевят процесс изготовления протеза: смешать состав и изготовить имплант можно будет непосредственно возле операционного стола. Однако, когда речь идет про полимеры для медицинского применения, нужно учитывать множество важных характеристик:
- как изготовление импланта отразится на его химических и физических свойствах;
- каков будет иммунный ответ организма на инородный объект;
- сможет ли имплант пройти процесс остеоинтеграции (то есть сращивания с костью).
Эксперименты
Исследователи изучили физические и химические свойства ряда сертифицированных для медицинского использования полимеров. Экспериментальные образцы напечатали на промышленном 3D-принтере. Поскольку печать происходит под воздействием высоких температур, получилось исследовать влияние этого фактора на свойства материала. Прототипы на длительное время погружали в плазму крови и дистиллированную воду, чтобы изучить, как они взаимодействуют с жидкостями. Образцы также подвергали механическому воздействию, охлаждали в жидком азоте ниже температуры стеклования и анализировали изображения их поперечного сечения методом сканирующей электронной микроскопии. Это позволило измерить возникшие в материале в ходе 3D-печати поры, а также установить особенности деформации изделий. Пористая структура позволит обеспечить остеоинтеграцию, т.е. «прорастание» кости в имплант. Специалисты также изучили ИК-спектры, провели ДТА-ТГ исследования, определили ДСК кривые охлаждения и выполнили рентгеноструктурный анализ структуры исследуемых образцов. Учёные продолжат работу над поиском окончательного состава, затем научный коллектив сможет приступить к опытам на животных.
📌 Результаты опубликованы в научном журнале Materials Physics and Mechanics.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы не застревать в прошлом, а идти с нами в будущее!
Что ещё почитать?