Свойства термопластов для эндопротезирования изучили в Санкт-Петербурге

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) в сотрудничестве с коллегами из Санкт-Петербургского государственного технологического института (СПбГТИ) и НМИЦ им. В. А. Алмазова в ходе экспериментальной работы изучили физические и химические свойства ряда уже сертифицированных для медицинского использования полимеров с целью создания материала для эндопротезирования, который обладал бы биосовместимостью и практически полной идентичностью человеческой кости, сообщается в пресс-релизе Минобрнауки.

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, 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 термопласта.

«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 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», — рассказал 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».