Старые кости еще послужат: ученые разработали метод изготовления имплантатов на основе натуральной кости

Установка такого инородного тела, как имплантат – большой стресс для организма, и именно поэтому ученые уделяют огромное внимание обеспечению быстрой приживаемости и максимально долгого срока службы изделия. Успех зависит как от свойств самого исходного материала, так и от структурных особенностей имплантата, методов производства и т.д. Можно использовать металл, керамику, различные полимеры, а также их комбинации. В идеале, чем меньше организм «ощущает» инородность имплантата, тем быстрее тот приживается, тем свободнее себя чувствуют клетки пациента, тем ниже риск отторжения. Руководствуясь этими принципами, ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из НМИЦ им. Н.Н. Блохина и Технического университета Дортмунда разработали уникальную технологию изготовления полимерных имплантатов, где «негативом» под отливку изделия служит настоящая кость.

Одним из наиболее популярных материалов для производства костных имплантатов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Ученые НИТУ «МИСиС» уже несколько лет занимаются разработками биомиметических (повторяющих реальную структуру кости имплантатов) скаффолдов (конструкций, которые после вживления становятся имплантатами) на его основе. Особое внимание уделяется имитации пористости сердцевины кости, чтобы после установки имплантата клетки костной ткани пациента могли делиться и «прорастать» в имплантат. Ранее коллектив добивался такой архитектуры образцов путем 3D-моделирования и печати «негатива» кости с последующей заливкой формы полимером.

Новая разработка ученых – биомиметический скаффолд из СВМПЭ, структура которого скопирована со структуры настоящей кости млекопитающего. Первоначально эксперименты проводились с фрагментами костей коровы. Костный мозг удалялся при помощи перекиси водорода, затем кость заполнялась полиэфирсульфоном – для формирования «негатива» внутренней структуры. Затем полученный «негатив» отмывался при помощи соляной кислоты, заполнялся порошком СВМПЭ, и происходило термопрессование. Наконец, образец погружался в N-метилпирролидон – тот полностью растворял полиэфирсульфоновый «негатив», оставляя только пористый СВМПЭ, обладающий структурой имитирующей изначальную структуру кости.

«Характерной особенностью губчатой части кости является анизотропия – вытянутые по длине кости поры, эллипсообразные в разрезе. Полностью повторить подобное на 3D-принтере невозможно из-за высокой вязкости расплава СВМПЭ, – рассказывает Инна Булыгина, сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» и главный автор разработки. – Когда мы использовали в качестве “негатива” кость с длинами большой и малой осей пор ~770 мкм и 470 мкм соответственно, мы получили полимерные поры с длинами осей ~700 мкм и 500 мкм. То есть, форма пор получилась эллипсообразной на срезе, максимально близкой к натуральной».

Ученые из Технического университета Дортмунда проводили оценку топографии образца, а благодаря специалистам из НМИЦ им. Н.Н. Блохина были проведены испытания in vitro.

Проведенные эксперименты по инкубации имплантата с мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками доказали их 75%-ю пролиферацию уже через 48 часов.
Далее ученые планируют тестировать различные комбинации материалов для изготовления имплантатов с губчатой сердцевиной и твердой оболочкой. По словам исследователей, наиболее перспективная ниша для потенциального внедрения разработки – ветеринария.

Технология уже запатентована, статья о разработке опубликована в журнале Polymer Degradation and Stability.