В России ежегодно около 200 тысяч человек нуждаются в замене тазобедренного сустава. Ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) впервые разработали математическую модель, которая позволяет точнее прогнозировать долговечность углеродных имплантатов, учитывая реальные биологические процессы врастания костной ткани, сообщили интернет-газете «ЖУК» в пресс-службе вуза.
Современные металлические протезы, которые сегодня широко используются, в 4–5 раз жестче натуральной кости. Это приводит к разрушению тканей вокруг имплантата, его расшатыванию и необходимости повторной операции. Перспективной альтернативой являются углерод-углеродные композиты: они упруги, как настоящая кость, и способны «срастаться» с организмом через микротрещины.
Однако до сих пор инженеры не могли точно рассчитать, как изменится прочность конструкции после того, как в нее прорастет ткань. Предыдущие подходы предполагали, что кость заполняет пустоты полностью и равномерно, что давало неточные прогнозы.
Исследователи ПНИПУ выяснили, что в реальности клетки не могут проникнуть слишком глубоко и заполнить абсолютно все поры. Для успешного приживления необходимо два условия: наличие связанной структуры микропор внутри материала и достаточный доступ кислорода и питания для клеток, который с глубиной ослабевает.
«Достоверность модели определяется тем, что ее расчеты учитывают реальные данные. При ее создании мы опирались на архивные компьютерные томограммы пациентов, перенесших эндопротезирование. Мы использовали снимки, сделанные в первые 90 дней после операции (именно в этот период формируется новая костная ткань), где видно, как выглядит внутренняя структура материала, сколько в нем остается открытых и закрытых пор. Это означает, что модель учитывает показатели реального биологического процесса, а ее расчеты максимально приближены к тому, что на самом деле происходит в организме пациента», — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Новая разработка позволяет инженерам прогнозировать не усредненный, а реальный срок службы протеза. Модель учитывает нагрузки при ходьбе или беге и рассчитывает вероятность формирования именно той структуры трещин, которая необходима для врастания клеток.
Разработка антибактериальных покрытий — одно из перспективных направлений в современной травматологии. Ранее российские ученые уже представили технологию, позволяющую защищать титановые протезы, напечатанные на 3D-принтере, от инфекций.