Учёные Пермского Политеха с помощью компьютерного моделирования определили тип структуры имплантата, который помогает костной ткани восстанавливаться быстрее. Исследование позволит создавать оптимизированные каркасы для лечения серьёзных повреждений, сообщили «Жуковский.Life» в пресс-службе ПНИПУ.
Критическим фактором для приживления искусственного каркаса (скаффолда) является внутреннее строение его пор. Они служат «дорогами» для миграции и размножения клеток. Учёные создали комплексную математическую модель, которая учитывает все основные «правила жизни» клеток: их стремление сохранять размер, устойчивость к изгибам, способность сжиматься и сцепляться.
С её помощью исследователи проанализировали три типа геометрии пор: прямые каналы, синусообразные (извилистые) и градиентно-периодические (с чередованием участков разной формы).
«После подготовки трёх моделей скаффолдов мы приступили к численному моделированию. В каждый тип поры поместили одну клетку, после чего математическая модель отслеживала процесс её развития. Это позволило получить количественные данные о том, с какой скоростью растёт костная ткань, как при этом меняется форма отдельных клеток и где возникают зоны механического давления», — рассказал Иван Красняков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.
Результаты показали, что в прямых каналах рост ткани происходит на 10-20% быстрее, чем в извилистых, из-за отсутствия препятствий для клеток. Градиентно-периодические каналы, максимально приближённые к природным тканям, показали схожую с прямыми скорость роста, но в зонах резких изгибов создавали повышенное механическое напряжение, что может мешать регенерации.
«В настоящее время ведётся работа по усовершенствованию математической модели для условий, приближённых к работе реального биореактора, где через каркас с порами непрерывно протекает питательная жидкость. Важно, что в таких условиях синусоидальные и градиентно-периодические каналы могут оказаться предпочтительнее прямых за счёт более эффективного перемешивания жидкости и улучшения транспорта питательных веществ», — отметил младший научный сотрудник кафедры Максим Бузмаков.
Исследование открывает перспективы для проектирования имплантатов с внутренней структурой, специально настроенной для ускоренного заживления, что сократит сроки лечения пациентов с тяжёлыми травмами и костными дефектами.