Ученые Университета МИСИС запатентовали метод 3D-печати уникального трехмерного каркаса из ауксетических метаматериалов, который может быть использован для имплантатов, протезов и межпозвонковых кейджей в медицине будущего.
Ауксетики – это особый класс метаматериалов, которые ведут себя необычным образом, когда их растягивают или сжимают. Вместо того чтобы расширяться во все стороны, они сжимаются в поперечном направлении. Например, резинка при растягивании становится длиннее, но при этом тоньше в ширину. Это происходит потому, что материал имеет отрицательный коэффициент Пуассона. Медицинские применения ауксетиков включают протезирование, ортопедические изделия, эргономичные приспособления, устройства для повышения производительности, медицинские устройства in vitro для взаимодействия с клетками и передовые медицинские клинические продукты, особенно скаффолды тканевой инженерии с живыми клетками.
«Ауксетические метаматериалы благодаря своей необычной структуре могут быть оптимальны для нагрузок, которые испытывает человеческий организм. Такие структуры способны эффективно амортизировать удары и вибрации, снижая риск повреждений костей и суставов. Ауксетики на основе сотовой ячейки подходят для использования в таких изделиях, как скаффолды, костные имплантаты, кейджи и другие. Ауксетики на основе вращающейся геометрии лучше для гибких медицинских изделий, таких как стенты, кожно-мышечные пластыри или скаффолды для мягких тканей», – отметил соавтор патента к.ф.-м.н Фёдор Сенатов, директор НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС.
В качестве замены классических пористых структур, используемых в костных трансплантатах, наиболее перспективными являются ауксетики на основе сотовой ячейки. Согласно клиническим исследованиям в 12% случаев спинальные кейджи после имплантации мигрируют, а в 5% полностью разрушаются под нагрузкой, так как межпозвонковые диски выполняют функцию амортизатора механических воздействий, обеспечивают определенный угол сгибания, скручивания и вращения между соседними позвонками. Геометрия, образующая ауксетические метаматериалы, играет важную роль в варьировании свойств кейджей, потенциально снижая эффект экранирования напряжений и увеличивая срок службы изделия.
Ученый НИТУ МИСИС Владислав Львов усовершенствовал коммерчески доступный межтеловой кейдж за счет внедрения структуры ауксетического метаматериала в объем изделия. Непосредственно кейдж был получен с помощью 3D-печати порошком из титанового сплава Ti-6Al-4V.
«3D-печатные кейджи из ауксетических метаматериалов со структурами с углом наклона между ребрами меньше 90 ̊ демонстрируют более высокую статическую прочность на сжатие и усталостную прочность. Поэтому они могут стать отличной основой для межпозвонковых кейджей, поддерживая участки поврежденного позвоночника и способствуя росту костной ткани при лечении дегенеративного заболевания диска», — прокомментировал к. ф.-м. н. Владислав Львов, инженер 1 категории НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС.
Для оптимизации протеза межпозвонкового диска под ауксетический метаматериал использовалось параметрическое твердотельное моделирование. На первом этапе выделяется элементарная конфигурация ячейки ауксетика. На втором этапе с помощью компьютерной программы создается параметрическая система с взаимосвязанными размерами. Система объединяет в себе базовый участок ячейки с геометрическими параметрами делая их взаимосвязанными, таким образом, что при изменении одного параметра, изменяются другие. Затем компьютерный алгоритм моделирует механические, тепловые и другие испытания. В итоге выбирается оптимальная геометрия ауксетика с набором необходимых свойств.
На данный момент ученые продолжают исследовать новые области применения и внедрения ауксетического метаматериала под конкретные задачи спинальной хирургии, чтобы обеспечить комфорт, поддержку и безопасность людям с проблемами позвоночника.
«Ученые научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Университета МИСИС в рамках реализации федеральной программы «Приоритет-2030» ведут разработки в области тканевой инженерии, биофизики, адресной доставки лекарств и биопечати, новых технологий и материалов, повышающих эффективность терапии, — говорит ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова. — В стратегическом проекте «Биомедицинские материалы и биоинженерия» объединены усилия ведущих вузов, научно-исследовательских центров, инновационных предприятий страны. Одно из ключевых направлений консорциума «Инженерия здоровья» – создание линейки спинальных кейджей, которые смогут вернуть к нормальной жизни тысячи людей. На производственной площадке КОНМЕТ – одного из бизнес-партнеров по консорциуму – проведены исследования по разработке технологии формирования межпозвонковых кейджей методом 3D-печати. Промышленное производство медицинских изделий планируется запустить в 2025 году».