Сибирские ученые создали материал с памятью формы для медицинских имплантатов
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в сотрудничестве с коллегами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН разработали биомедицинские каркасы (скаффолды), обладающие эффектом памяти формы, который активируется при температурах близких к физиологическим. Это свойство делает материал перспективным для использования в инженерии костной ткани, так как обеспечивает минимально инвазивное внедрение имплантата и потенциально улучшает его интеграцию с костной тканью.
Полимерные скаффолды — перспективный материал для регенеративной медицины. Благодаря технологии 3D-печати можно создавать биосовместимые скаффолды сложных форм, структура и механические свойства которых приближены к свойствам живых тканей. Такие скаффолды помогают восстанавливать, поддерживать и улучшать функции поврежденных тканей. В частности, их можно использовать в качестве «самоустанавливающихся» имплантатов для замещения обширных дефектов кости.
«По выдвинутой гипотезе биодеградируемый скаффолд изготавливают по форме дефекта кости. Затем его нагревают, сжимают и охлаждают в таком виде, чтобы получить временную компактную форму. Во время операции через небольшой разрез хирург вводит скаффолд в целевую область. При нагреве до температуры тела скаффолд «вспоминает» свою исходную форму и расширяется, точно заполняя дефект. Это обеспечивает плотное прилегание к кости без необходимости механической подгонки хирургом во время операции и делает медицинское вмешательство менее травматичным для пациента. Для ускорения процесса в клинических условиях может применяться дополнительный локальный мягкий нагрев», — рассказала один из авторов разработки, инженер-исследователь Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Анастасия Фетисова.
Исследователи с помощью послойной 3D-печати получили биосовместимые скаффолды со структурой гироида на основе биодеградируемого полилактида, пластифицированного полиэтиленгликолем. Добавление 10 мас. % полиэтиленгликоля позволило снизить температуру стеклования полилактида до 36-39 °C.
«Это стало возможным благодаря оптимальному составу скаффолдов и их пористой структуре гироида, которая обеспечила равномерный теплообмен и проникновение воды», — пояснил еще один из разработчиков, инженер-исследователь Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Абдулла бин Фироз.
Ранее большинство подобных исследований проводили при более высоких температурах, поскольку чистый полилактид демонстрирует эффект памяти формы лишь при температуре выше 60 °C. Несмотря на эффективность такого нагрева для восстановления формы, он неприемлем для контакта с живыми тканями из-за риска их повреждения.
«Таким образом, наша работа закладывает основу для безопасного и эффективного применения биодеградируемых скаффолдов в организме человека», — резюмировал директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ, профессор Роман Сурменев.
По словам ученых, дальнейшие исследования будут направлены на изучение механических и усталостных характеристик скаффолдов в условиях, имитирующих нагрузки, характерные для костной ткани, а также на проведение доклинических испытаний. Это позволит определить оптимальные состав и структуру скаффолдов, обеспечивающие сочетание высокого эффекта памяти формы, механической прочности и биосовместимости.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» национального проекта «Молодежь и дети».