Полимерный близнец:
разработаН имплантат, повторяющий структуру кости
Ученые НИТУ "МИСиС" первыми в мире разработали инновационный гибридный костный имплантат, сердцевина которого выполнена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а оболочка - из полиэфирэфиркетона. Благодаря совмещению свойств двух полимеров, удалось создать имплантат, который имитирует структуру кости и дополнительно укрепляется для повышения прочности и упругости. Кроме того, за счет снижения расхода материала, стоимость такого имплантата будет ниже, чем у аналогов. Статья о результатах исследования опубликована в журнале Materials Letters.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) - одни из наиболее часто используемых в ортопедии материалов. Каждый из них отличается определенным набором свойств, а выбор материала основывается, главным образом, на том, какой именно костный дефект требуется устранить. Так, СВМПЭ традиционно используется при эндопротезировании суставов, а ПЭЭК за счет его большей прочности, в основном, используют в спинальной хирургии. При этом ПЭЭК - довольно дорогой материал, поэтому его в принципе используют реже, чем СВМПЭ.
Научный коллектив из Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС" применил ранее разработанную технологию формирования пористых биомиметических материалов и провел экспериментальный сравнительный анализ механических свойств модифицированных СВМПЭ и ПЭЭК, а по итогам предложил принципиально новый гибридный материал, совмещающий полезные свойства обоих полимеров.
"Со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом мы работаем уже довольно давно, - комментирует руководитель группы, научный сотрудник Центра, к.ф-м.н. Фёдор Сенатов. - А с полиэфирэфиркетоном начали относительно недавно. Поскольку при работе со СВМПЭ нам особенно интересно было повторить в имплантатах родную губчатую структуру кости, аналогичную структуру мы решили попробовать воссоздать и в ПЭЭК. Далее мы протестировали и сравнили механические свойства материалов на сжатие".
Однако высокая твердость ПЭЭК отрицательно сказалась на пористой модификации материала: хотя ПЭЭК хорошо выдержал испытания на сжатие, выяснилось, что при резке (а во время установки имплантата хирургу требуется "подгонять" его под края дефекта) он начинает крошиться. Попадание крошки материала в область имплантации недопустимо, поэтому ученые решили попробовать создать гибрид, который бы сохранил только полезные свойства обоих полимеров. Это особенно интересно и с точки зрения имитации строения самой кости, ведь в сердцевине (трабекулярной части) она как раз мягче, а на поверхности (кортикальная часть) -жестче.
"Мы создали двухкомпонентный цилиндрический имплантат трубчатой кости, сердцевина которого - более мягкий пористый СВМПЭ, а оболочка - твердый ПЭЭК, - рассказывает соавтор работы, студент 4-го курса и сотрудник Центра, Александр Чубрик. - Испытания механической прочности имплантата показали, что как пористая сердцевина, так и внешняя оболочка по своим характеристикам практически полностью соответствуют обычной человеческой кости -трабекулярная кость имеет прочность от 0,001 ГПа в 0,002 ГПа, а пористый СВМПЭ - около 0,002 ГПа; кортикальная кость выдерживает в среднем около 11 ГПа, а сплошной ПЭЭК - 9 ГПа".
Помимо того, что характеристики такого имплантата близки к показателям обыкновенной человеческой кости, не стоит забывать и про главное преимущество структуры: пористая часть позволит кости "прорастать" в имплантат. Это означает, со временем фиксирующие пластины можно будет снимать, и имплантат уже будет "сидеть" как родной. Кроме того, благодаря тому, что расход полиэфирэфиркетона снизится, такие имплантаты будут более доступны по цене.
Сейчас ученые продолжают исследование сразу в двух направлениях: проводят испытания гибридного материала in vivo, а также работают над присоединением к поверхности имплантата биокерамики для ускорения регенерации на замещенном участке кости.
Справка о НИТУ "МИСиС"
НИТУ "МИСиС" в 2018 году отметил 100-летие со дня основания Московской горной академии, преемником которой является. Сегодня НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Согласно данным основных образовательных рейтингов, университет занимает 30-е место в мире в категории "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и 76-е место в "Инжиниринг- Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" находится на 191-й позиции (рейтинг U.S. News).
Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нано- и ИТ-технологий. В состав университета входит 9 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" обучаются более 17000 обучающихся из 75 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие ученые России и мира. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими российскими и зарубежными высокотехнологичными компаниями.
