Ученые из Национального университета науки и технологии — MISIS разработали уникальный гибридный костный имплантат, ядро которого состоит из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и оболочки из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).
Благодаря сочетанию уникальных свойств двух полимеров, стало возможным создать имплантат, который имитирует структуру кости и дополнительно укрепляется для повышения прочности и эластичности. Кроме того, поскольку расход материала уменьшается, стоимость такого имплантата будет ниже, чем у аналогов.
(UHMWPE) и PEEK являются одними из наиболее часто используемых материалов в ортопедии. Каждый из них обладает определенным набором свойств, и выбор материала основывается главным образом на том, какой вид дефекта кости следует устранить. Таким образом, UHMWPE традиционно используется для замены суставов, а PEEK, благодаря своей большей прочности, в основном используется в хирургии позвоночника. Более того, PEEK — довольно дорогой материал, поэтому его используют реже, чем UHMWPE.
Ученые из университетского Центра композиционных материалов применили разработанную ранее технологию формирования пористых биомиметических материалов и провели экспериментальный сравнительный анализ механических свойств СВМПЭ и ПЭЭК. В результате они предложили принципиально новый гибридный материал, сочетающий в себе полезные свойства обоих полимеров.
«Мы работаем с СВМПЭ довольно долгое время. ПЭЭК для нас относительно новый. В связи с тем, что мы пытались имитировать естественную структуру пористой кости в имплантатах из СВМПЭ, мы решили также сделать это с помощью ПЭЭК. Затем мы проверили и сравнили компрессионные свойства материалов», — говорит Федор Сенатов, руководитель исследовательской группы.
Однако высокая твердость ПЭЭК оказала негативное влияние на пористую модификацию материала: хотя ПЭЭК продемонстрировал хорошие свойства при испытании на сжатие, было обнаружено, что при резке (и во время установки имплантата, хирургу требуется «отрегулировать» его под краем дефекта) он начинает крошиться. Крошки в области имплантации недопустимы, поэтому ученые решили создать гибрид, который сохранял бы только полезные свойства обоих полимеров. Это особенно интересно с точки зрения имитации структуры самой кости, потому что в ядре (трабекулярная часть) она мягче, а на оболочке (кортикальная часть) тверже.
«Мы создали гибридный цилиндрический имплантат, для которого ядро и оболочка изготовлены из мягкого пористого СВМПЭ и твердого непористого ПЭЭК соответственно. Испытания механической прочности имплантата показали, что его характеристики почти полностью соответствуют нормальной кости человека: губчатая кость имеет модуль упругости от 0,001 ГПа до 0,002 ГПа, а пористый СВМПЭ имеет около 0,002 ГПа; кортикальная кость имеет модуль упругости около 11 ГПа, а ПЭЭК- около 9 ГП», — говорит Александр Чубрик, студент и соавтор исследования.
Имитация человеческой кости — не единственное преимущество имплантата. Пористая часть позволяет кости проникать в имплантат. Это означает, что со временем фиксирующие пластины могут быть удалены, и имплантат будет вести себя как кость. Кроме того, из-за того, что использование ПЭЭК уменьшится, такие имплантаты станут более доступными финансово.
Ученые планируют продолжить исследования в двух направлениях: они будут тестировать гибридный материал и работать над прикреплением биокерамики к поверхности имплантата, чтобы ускорить регенерацию в области замещенной кости.
