Материаловеды и физики Томского государственного университета впервые получили данные об особенностях деформации губчатой и компактной костной ткани при изменении ее структуры и состава. От этого напрямую зависит приживаемость имплантатов и скорость реабилитации больного. Благодаря новым данным материаловеды ТГУ смогут создавать имплантаты с максимальной биомеханической совместимостью.
– Разработка материалов для имплантатов с точки зрения биомеханической совместимости играет одну из главных ролей в приживаемости имплантатов, – говорит заведующая лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ Екатерина Марченко. – Состав и механические свойства костной ткани различны для разных людей, поэтому один и тот же имплантат может прижиться у одного пациента и не прижиться у другого.
Отсутствие анализа механического поведения замещаемого фрагмента и обусловленный этим неправильный подбор имплантата нередко приводят к резорбции (рассасыванию) костной ткани на границе «кость – имплантат». Следовательно, необходима повторная операция с заменой восстанавливающей конструкции.
Материаловеды и физики ТГУ в рамках совместных исследований поставили задачу выяснить, как изменяется механическое поведение двух основных типов костной ткани – губчатой и компактной – при изменении их структуры и состава.
Существует большое количество публикаций, касающихся компьютерного моделирования, которое включает трехмерные геометрические модели фрагментов губчатой костной ткани, построенных на основе изображений компьютерной томографии, – поясняет Екатерина Марченко. – Соответственно, при этом учитываются особенности структуры и механики кости конкретного пациента, что не позволяет сделать обобщенные выводы о механическом поведении костной ткани в целом.
В рамках совместных исследований материаловеды и физики разработали новый алгоритм построения геометрических моделей губчатой костной ткани. Он позволяет перестраивать структуру модельного фрагмента при варьировании структурных параметров трабекул – тонких элементов костной ткани, которые составляют внутреннее пространство многих костей. Эти структуры находятся в постоянной трансформации, что помогает кости адаптироваться к внешним нагрузкам. В модели также неявным образом учитывается наличие коллагеновой и минеральной составляющих кости.
Теперь мы знаем, как именно увеличение массовой доли минералов изменяет упругость кости и ее механические свойства, – отмечает Екатерина Марченко. – Чтобы имплантат прижился, упругие модули, то есть прочность имплантата и кости, должны быть максимально близки. Поэтому мы, оценив биомеханику кости, заранее знаем, какими характеристиками должен обладать имплантат, и задаем их на этапе производства за счет изменений условий синтеза – температуры, давления и прочего. Это позволяет обеспечить максимальную биосовместимость конструкции с «родной» костью пациента, необходимую для хорошей приживаемости имплантата и быстрой реабилитации.
С помощью нового алгоритма моделирования поведения костной ткани ученые оценили изменения напряженно-деформированного состояния модельных фрагментов губчатой костной ткани при одноосном сжатии. Было установлено, что внутренняя структура губчатой костной ткани, а именно, взаимодействие друг с другом главных и второстепенных трабекул, определяет деформационный отклик образцов в трех взаимно перпендикулярных направлениях при осевом сжатии. Вместе с тем поведение кости зависит от структурных параметров тонких внутренних элементов и содержания в них минералов, обеспечивающих прочность кости.
Добавим, что новые материалы и технологии для восстановительной хирургии ученые лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ разрабатывают при поддержке мегагранта правительства РФ и федеральной программы «Приоритет 2030» (стратегический проект «Технологии безопасности»).