Завершен проект по разработке технологии проектирования ортопедических имплантатов из мета-биоматериалов
В Передовой инженерной школе Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) завершен трехлетний научный проект, поддержанный Российским научным фондом (грант № 23‑19‑00882). Работа была направлена на создание расчетно-экспериментальной базы для проектирования нового класса ортопедических имплантатов – конструкций из мета-биоматериалов с управляемыми механическими и биологическими свойствами.
Проект объединил несколько взаимосвязанных направлений. На первом этапе был выполнен сравнительный анализ широкого спектра топологий мета-биоматериалов – как решетчатых, так и поверхностных. Проведены натурные испытания образцов, изготовленных из титанового сплава с помощью аддитивных технологий, и параллельно построены высокоточные конечно-элементные модели. Валидация моделей подтвердила их способность адекватно воспроизводить механическое поведение пористых структур при различных типах нагружения.
Ячейка периодичности одного из видов метаматериала с разным значением объемной доли материала
Полученные данные легли в основу следующего этапа – проектирования компонентов тотального эндопротеза тазобедренного сустава с пористыми зонами в областях контакта с костной тканью. Пористость подбиралась таким образом, чтобы эффективная жесткость метаматериала соответствовала жесткости окружающей кости. Завершающая стадия включала построение полномасштабных биомеханических моделей системы «кость – эндопротез» и их исследование при различных видах двигательной активности – как сразу после имплантации, так и после завершения регенерации костной ткани внутри пор.
«Актуальность исследования обусловлена потребностью медицинской отрасли в современных имплантатах для качественного и быстрого восстановления функций скелетно-мышечных систем человека после травмы. В ходе проекта создана расчетно-экспериментальная база, позволяющая проектировать имплантаты из мета-биоматериалов с управляемыми механическими свойствами. Установленные зависимости между топологией ячейки, пористостью, жесткостью и прочностью дают возможность выбирать структуру, оптимальную для конкретного клинического случая. В конечном итоге это позволит повысить качество создаваемой продукции медицинского назначения, оказываемой медицинской помощи и жизни пациентов».
Параллельно был выполнен цикл исследований, посвященный сравнительному анализу реконструкции поясничного отдела позвоночника с использованием имплантатов из однородного полиэфирэфиркетона (PEEK) и решетчатого титанового метаматериала. В рамках данного направления был проведен конечно-элементный анализ трех типов индивидуальных имплантатов с различными вариантами фиксации при выполнении основных видов движения позвоночника. Таким образом, апробированная на тазобедренном суставе методология успешно распространилась на задачи вертебрологии.
Виды имплантатов тела позвонка: полимерный имплантат с задней фиксацией, полимерный имплантат с латеральной фиксацией, имплантат из метаматериала с латеральной фиксацией
В ходе работы установлены зависимости между топологией ячейки метаматериала, его пористостью и итоговыми механическими характеристиками: жесткостью, прочностью, усталостной долговечностью. Это позволяет на этапе проектирования обоснованно выбирать структуру, обеспечивающую необходимый уровень механической надежности без избыточного использования материала.
Леонид Маслов, ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ: «Достижение целей проекта позволило внести вклад в развитие современной механики материалов и биомеханики, цифровых технологий проектирования сложных механических систем. Верифицированные конечно-элементные модели мета-биоматериалов – как решетчатых, так и поверхностных топологий – обеспечивают формирование научного фундамента регенеративной персонализированной медицины».
Отдельное внимание уделено процессам остеоинтеграции. Моделирование регенерации костной ткани на уровне ячейки с применением механобиологического подхода показало, что скорость и полнота врастания кости определяются в первую очередь жесткостью структуры, а не типом ее формы. Менее жесткие топологии создают более выраженные механические стимулы и способствуют более интенсивной регенерации. Таким образом, выбор топологии позволяет влиять не только на механику, но и на биологический отклик.
Относительная масса зрелой костной ткани в ячейке периодичности в процессе регенерации
Сравнительный анализ конструкций эндопротеза подтвердил, что все рассмотренные варианты обладают достаточным запасом прочности при характерных повседневных нагрузках. При этом разные топологии демонстрируют различную картину распределения напряжений в костной ткани. Выявлены предпочтительные структуры для бедренного и тазового компонентов, обеспечивающие наиболее физиологичное нагружение кости и снижающие риск ее последующей резорбции. Показано, что процесс врастания костной ткани в поры приводит к благоприятному перераспределению нагрузки и снижению напряжений в системе.
«Показано, что выбор топологии влияет не только на механическую надежность, но и на биологический отклик: менее жесткие структуры создают более выраженные механические стимулы для врастания костной ткани. Это способствует решению ключевых проблем высокотехнологичного кастомизированного эндопротезирования».
Главный итог проекта – сформированный научно-технический задел: многоуровневая расчетная методология, верифицированные модели и система критериев для выбора топологии под конкретную клиническую задачу. Полученные результаты создают основу для перехода к персонализированному проектированию имплантатов, когда геометрия и внутренняя структура изделия определяются анатомией конкретного пациента, а поведение конструкции может быть спрогнозировано на этапе компьютерной модели.
Работы по проекту выполнены в полном объеме. Дальнейшее развитие направления предполагает изготовление индивидуальных имплантатов по данным томографии и проведение клинической апробации разработанных решений.
