|
|
 |
|
|
 |
Ученые ПНИПУ разработали «цифровой конструктор» для создания эффективных костных имплантатов
Ученые ПНИПУ создали «цифровой конструктор» для скаффолдов, позволяющий одновременно настраивать их механические свойства и геометрию. Это обеспечивает идеальный баланс между прочностью и биосовместимостью, что ускоряет приживление имплантатов и сокращает сроки лечения.
Костная ткань – это биологический материал, из которого образованы кости человека. Ее сложная пористая структура, состоящая из микроскопических балок-трабекул, идеально приспособлена для ежедневных нагрузок и служит поддерживающей средой для клеток и кровеносных сосудов. Однако при серьезных травмах и заболеваниях кость не всегда может восстановиться сама. В таких случаях требуется замена поврежденного участка.
Проблема в том, что создать искусственный аналог костной ткани достаточно сложно. Идеальный имплантат, или «скаффолд» (искусственный каркас для восстановления тканей), должен выполнять две ключевые задачи: во-первых, быть механически прочным, чтобы выдерживать нагрузку как натуральная кость, а во-вторых, иметь правильную пористую структуру, чтобы в него могли прорастать клетки и сосуды, постепенно превращая искусственный каркас в живую ткань.
Однако существующие технологии проектирования скаффолдов не всегда позволяют одновременно удовлетворить оба этих требования. Для создания костных аналогов сегодня применяют разные подходы. Традиционно инженеры создают конструкции с простой геометрией пор. Существуют и более продвинутые программы для 3D-моделирования, которые позволяют генерировать сложные решетчатые структуры. Однако эти методы имеют недостатки: одни позволяют создать прочную конструкцию, но не обеспечивают оптимальных условий для прорастания клеток и сосудов; другие хорошо имитируют биологические процессы, но не выдерживают механические нагрузки в организме.
Все это создает ключевое ограничение таких подходов — они не способны одновременно воспроизвести уникальную анатомию кости конкретного пациента и обеспечить идеальное сочетание прочности и биосовместимости. В результате искусственные конструкции часто плохо приживаются или не полностью выполняют свои функции, что требует повторных операций и продлевает сроки реабилитации пациентов.
Ученые Пермского Политеха предложили инновационное решение этой проблемы. Они разработали «цифровой конструктор» для создания искусственных костей.
Это специальная компьютерная программа, с помощью которой специалисты могут создавать 3D-объекты имплантатов, используя сложные математические модели. На их основе были спроектированы и сравнены различные типы структур: гироидные, алмазные и примитивные, которые наиболее точно повторяют архитектуру натуральной кости. Ключевая 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.
— Ключевая проблема традиционных скаффолдов — их упрощенная внутренняя архитектура. Они не повторяют сложную пористую структуру натуральной кости, что приводит к двум серьезным осложнениям: недостаточному приживлению с окружающими тканями и возникновению «эффекта стресс-экранирования», когда имплантат берет на себя всю нагрузку, а соседние костные участки постепенно атрофируются, — рассказала Наталия Еленская, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Новая технология решает эти проблемы, точно воспроизводя природную структуру кости. Для этого программа анализирует данные компьютерной томографии пациента — определяет среднюю толщину костных перегородок и общую пористость. Например, в исследовании ученые использовали эталонную модель большеберцовой кости, где эти параметры составили 0,53 мм и 55,2%. Алгоритм автоматически подбирал геометрию «виртуальных кубиков», чтобы их характеристики совпали с эталонными, создавая идеальную биомеханическую копию.
— 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, — объяснил Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Ученые также проверили скаффолд в виртуальной среде. Они проанализировали, как разные модели будут вести себя под давлением и скручивающими нагрузками, чтобы найти самый прочный и надежный вариант.
— С помощью компьютерного моделирования мы определили оптимальные параметры микроархитектуры имплантата — форму и размер внутренних пор и перегородок, — которые обеспечивают не только механическую прочность, сравнимую с натуральной костью, но и создают подходящие условия для регенерации тканей, — добавил Михаил Ташкинов.
Полученные результаты создают основу для применения разработки для лечения сложных переломов, восстановления костных дефектов после удаления опухолей или травм, а также в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии при наращивании костной ткани.
Разработка прошла этап компьютерного моделирования и готова к проведению доклинических испытаний. Использование доступных промышленных компонентов и проверенных методов 3D-печати делает технологию экономически целесообразной для внедрения в медицинских учреждениях различного уровня. В перспективе это может кардинально изменить подход к лечению костных травм и заболеваний во всем мире.
Контактное лицо: Фазлетдинова Эллина Руслановна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 21:09, 05.11.2025
Количество просмотров: 83
Страна: Россия
| Делегация из Республики Абхазии приняла участие в марафоне Знание.Наука, Общество "Знание", 21:19, 05.11.2025, Россия |
83 |
| Марафон Знание.Наука объединил более 5 тысяч школьников, студентов и молодых ученых, победителей всероссийских олимпиад из 80 регионов России, а также Республики Абхазии. В составе делегации 10 преподавателей из Абхазского государственного университета и председатель Совета молодых учёных при Президенте Республики Абхазии. |
|
| Ученые Пермского Политеха разработали кормовую добавку, которая на 33% повышает эффективность птицеводства и заменяет антибиотики, ПНИПУ, 21:13, 05.11.2025, Россия |
85 |
| Покупая курицу, россияне потребляют антибиотики, применяемые в птицеводстве, что вызывает устойчивость бактерий к лекарствам и ослабляет иммунитет. Ученые Пермского Политеха создали натуральную добавку, которая улучшает качество мяса, а также повышает эффективность производства на 33%. |
|
| Помогает снять стресс и облегчить головную боль: ученые ПНИПУ поделились интересными фактами о зевании, ПНИПУ, 20:22, 03.11.2025, Россия |
222 |
| В среднем человек зевает до 23 раз в день. Ученые ПНИПУ рассказали, что происходит в этот момент с организмом, на кого не распространяется «заразное» действие, как его эффект зависит от наличия стресса, головной боли, сонливости и скуки и почему связь зевоты, нехватки воздуха и терморегуляции вторична. |
|
| От него зависит работа сердца и мозга: ученые Пермского Политеха рассказали, что важно знать о гемоглобине, ПНИПУ, 17:57, 30.10.2025, Россия |
342 |
| Анемия является самым распространенным заболеванием крови у россиян и диагностируется у 15% человек. Ученые ПНИПУ рассказали, почему гемоглобин понижается не только из-за дефицита железа, чем опасна анемия, почему она возникает у спортсменов, как этот повышенный белок приводит к инсульту, как регулировать его уровень. |
|
|
|
|
|
|
|
Разделы //
Новости по странам //
Сегодня у нас публикуются //
|
|
