Ученые из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» первыми в мире разработали уникальный гибридный костный имплантат, сердцевина которого выполнена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а оболочка — из полиэфирэфиркетона. Благодаря совмещению уникальных свойств двух полимеров, удалось создать имплантат, который имитирует структуру кости и дополнительно армируется для повышения прочности и упругости. Кроме того, за счет снижения расхода материала, стоимость такого имплантата будет ниже, чем у аналогов. Статья о результатах исследования опубликована в журнале Materials Letters.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) — одни из наиболее часто используемых в ортопедии материалов. Каждый из них отличается определенным набором свойств, а выбор материала основывается, главным образом, на том, какой именно костный дефект требуется устранить. Так, СВМПЭ традиционно используется при эндопротезировании суставов, а ПЭЭК за счет его большей прочности, в основном, используют в спинальной хирургии. При этом ПЭЭК — довольно дорогой материал, поэтому его в принципе используют реже, чем СВМПЭ.
Научный коллектив из Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» применил ранее разработанную технологию формирования пористых биомиметических материалов и провел экспериментальный сравнительный анализ механических свойств модифицированных СВМПЭ и ПЭЭК, а по итогам предложил принципиально новый гибридный материал, совмещающий полезные свойства обоих полимеров.
«Со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом мы работаем уже довольно давно, — комментирует руководитель группы, научный сотрудник Центра, к.ф-м.н. Фёдор Сенатов. — А вот с полиэфирэфиркетоном начали относительно недавно. Поскольку при работе со СВМПЭ нам особенно интересно было повторить в имплантатах родную губчатую структуру кости, аналогичную структуру мы решили попробовать воссоздать и в ПЭЭК. Далее мы протестировали и сравнили механические свойства материалов на сжатие».
Однако высокая твердость ПЭЭК отрицательно сказалась на пористой модификации материала: хотя ПЭЭК хорошо выдержал испытания на сжатие, выяснилось, что при резке (а во время установки имплантата хирургу требуется «подгонять» его под края дефекта) он начинает крошиться. Попадание крошки материала в область имплантации недопустимо, поэтому ученые решили попробовать создать гибрид, который бы сохранил только полезные свойства обоих полимеров. Это особенно интересно и с точки зрения имитации строения самой кости, ведь в сердцевине (трабекулярной части) она как раз мягче, а на поверхности (кортикальная часть) —жестче.
«Мы создали двухкомпонентный цилиндрический имплантат трубчатой кости, сердцевина которого — более мягкий пористый СВМПЭ, а оболочка — твердый ПЭЭК, — рассказывает соавтор работы, студент
4-го курса и сотрудник Центра, Александр Чубрик. — Испытания механической прочности имплантата показали, что как пористая сердцевина, так и внешняя оболочка по своим характеристикам практически полностью соответствуют обычной человеческой кости —трабекулярная кость имеет модуль упругости от 0,001 ГПа в 0,002 ГПа, а пористый СВМПЭ — около 0,002 ГПа; кортикальная кость имеет модуль упругости в среднем около 11 ГПа, а сплошной ПЭЭК — 9 ГПа».
Помимо того, что характеристики такого имплантата близки к показателям обыкновенной человеческой кости, не стоит забывать и про главное преимущество структуры: пористая часть позволит кости «прорастать» в имплантат. Это означает, со временем фиксирующие пластины можно будет снимать, и имплантат уже будет «сидеть» как родной. Кроме того, благодаря тому, что расход полиэфирэфиркетона снизится, такие имплантаты будут более доступны по цене.
Сейчас ученые продолжают исследование сразу в двух направлениях: проводят испытания гибридного материала in vivo, а также работают над присоединением к поверхности имплантата биокерамики для ускорения регенерации на замещенном участке кости.
