Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» запатентовали метод 3D-печати трехмерный каркасов из ауксетических метаматериалов для имплантатов, протезов и межпозвонковых кейджей, сообщает пресс-служба вуза.
Ауксетики — класс метаматериалов с необычным поведением при растягивании и сжатии ввиду отрицательных значений коэффициента Пуассона: например, при растяжении ауксетики утолщаются в направлении, перпендикулярном приложенной силе. Медицинские применения ауксетиков включают протезирование, ортопедические изделия, эргономичные приспособления, устройства для повышения производительности, медицинские устройства 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», — рассказал директор научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов.
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 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 инженер научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов. Владислав Львов
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.
Ученые продолжают исследовать области применения и внедрения ауксетического метаматериала под конкретные задачи спинальной хирургии, чтобы обеспечить комфорт, поддержку и безопасность людям с проблемами позвоночника. Промышленное производство медицинских изделий планируется запустить в 2025 году.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.
