Ученые из Санкт-Петербурга исследовали свойства принципиально нового материала для протезов
Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) в сотрудничестве с коллегами из Санкт-Петербургского государственного технологического института и НМИЦ им. В. А. Алмазова в ходе экспериментальной работы изучили физические и химические свойства ряда уже сертифицированных для медицинского использования полимеров-термопластов. Это один из этапов работы над созданием материала для эндопротезирования, который обладал бы биосовместимостью и практически полной идентичностью человеческой кости.
Сейчас в большинстве случаев во время хирургических операций по замене суставов используют титановые сплавы, что обусловлено их высокой прочностью и биосовместимостью. Однако такие изделия могут вызывать разрушение ткани вблизи контактной поверхности кость-имплантат. На смену титановым сплавам приходят полимеры-реактопласты, позволяющие создать максимально подходящий каждому конкретному пациенту состав непосредственно возле операционного стола.
Для работы над созданием новых полимерных материалов для эндопротезирования в ПИШ «Цифровой инжиниринг» СПбПУ была сформирована научная группа, участники которой ищут идеальный состав биосовместимого и прочного полимера-реактопласта.
«Подобные материалы в разы ускорят и удешевят процесс изготовления протеза: смешать состав и изготовить имплантат можно будет непосредственно возле операционного стола. Однако, когда речь идет о полимерах для медицинского применения, нужно учитывать множество важных характеристик: как изготовление имплантата отразится на его химических и физических свойствах, каков будет иммунный ответ организма на инородный объект, сможет ли имплантат пройти процесс остеоинтеграции (т.н. сращивание с костью). Наконец, как поведет себя имплантат с течением времени», — отметили в пресс-службе вуза.
Для ответа на эти вопросы ученые взяли несколько существующих на рынке биосовместимых полимеров-термопластов и изучили их поведение при различных внешних воздействиях. Экспериментальные образцы напечатали на промышленном 3D-принтере. Поскольку печать происходит под воздействием высоких температур, ученые исследовали их влияние на свойства материала. Также образцы изучали с помощью инфракрасной спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгеновской дифракции и других методов. Особое внимание уделили взаимодействию образцов с жидкостями, для этого образцы на длительное время погружали в плазму крови и дистиллированную воду.
«Полученные нами образцы мы подвергли механическому воздействию, охладили в жидком азоте ниже температуры стеклования и изучили изображения их поперечного сечения методом сканирующей электронной микроскопии. Это позволило измерить возникшие в материале поры в результате 3D-печати, а также идентифицировать реологическое поведение исследуемых материалов. Реализация открытой пористой структуры в будущем позволит обеспечить остеоинтеграцию, т.е. «прорастание» кости в имплант. Вместе с тем мы изучили ИК-спектры, провели ДТА-ТГ исследования, определили ДСК кривые охлаждения и выполнили рентгеноструктурный анализ структуры исследуемых образцов», — отметил один из участников исследования старший научный сотрудник ПИШ СПбПУ, кандидат технических наук Илья Керестень.
В ближайшее время ученые продолжат работу над поиском окончательного состава. Затем научный коллектив сможет приступить к опытам на животных.
Проект поддержан Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Передовые инженерные школы».