Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали программный комплекс «цифровой конструктор», предназначенный для проектирования имплантатов, воспроизводящих индивидуальную структуру костной ткани пациентов. По данным пресс‑службы вуза, программа, как ожидается, обеспечит более эффективное лечение сложных переломов и будет применима в челюстно‑лицевой хирургии и стоматологии при наращивании костной ткани.
«Ключевая проблема традиционных скаффолдов (искусственный каркас для восстановления тканей) — их упрощённая внутренняя архитектура. Они не повторяют сложную пористую структуру натуральной кости, что приводит к двум серьёзным осложнениям: недостаточному приживлению с окружающими тканями и возникновению "эффекта стресс‑экранирования", когда имплантат берёт на себя всю нагрузку, а соседние костные участки постепенно атрофируются», — рассказала старший научный сотрудник научно‑исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико‑математических наук Наталия Еленская.
Создание искусственного аналога костной ткани (скаффолда) требует сочетания механической прочности и пористой архитектуры: материал должен выдерживать нагрузки, сопоставимые с нагрузками натуральной кости, и одновременно обладать такой пористостью, чтобы внутрь конструкции могли проникать клетки и сосуды, обеспечивая поэтапное замещение искусственного каркаса живой тканью.
Современные технологии проектирования и производства скаффолдов чаще ориентированы либо на достижение механической прочности в ущерб параметрам пористости, либо на обеспечение пористости при недостаточной механической надёжности. В результате такие конструкции нередко демонстрируют неполное приживление или ограниченную функциональность, что ведёт к необходимости повторных операций и удлиняет сроки реабилитации пациентов.
«Цифровой конструктор» скаффолдов
Разработанный в ПНИПУ программный продукт представляет собой среду для создания трёхмерных моделей имплантатов на основе математических алгоритмов и сложных вычислительных моделей. «Главная особенность технологии — возможность легко настраивать свойства конструкции под анатомические и биомеханические особенности каждого пациента. Такой подход позволяет создавать искусственные кости, которые организм воспринимает как собственные», — отметили в ПНИПУ.
Программа выполняет анализ данных компьютерной томографии пациента, определяет среднюю толщину костных перегородок и общую пористость исследуемой области, после чего формирует модель будущего имплантата с учётом полученных параметров.
«Наш подход позволяет регулировать ключевые параметры имплантата: размер и форму пор, толщину внутренних перегородок, общую плотность структуры. Это обеспечивает оптимальные условия для прорастания кровеносных сосудов и костных клеток, а также правильное распределение механической нагрузки», — пояснил заведующий лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико‑математических наук Михаил Ташкинов.
По оценке исследователей, результаты проектирования создают теоретическую и техническую базу для последующего применения разработки при лечении сложных переломов и восстановлении костных дефектов, а также в практике челюстно‑лицевой хирургии и стоматологии при наращивании костной ткани. В настоящий момент разработка прошла этап компьютерного моделирования и готова к доклиническим испытаниям. Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ.