РНФ поддержал продление проекта ПИШ СПбПУ по разработке имплантатов из мета-биоматериалов
Российский научный фонд поддержал продление проекта Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ), направленного на разработку технологии проектирования ортопедических имплантатов с управляемыми свойствами (грант № 23‑19‑00882). Новый этап рассчитан на 2026–2027 годы и продолжает ранее выполненные исследования в области мета-биоматериалов для тканевой инженерии.
Предыдущий цикл работ, завершенный в 2025 году, был сосредоточен на создании расчетно-экспериментальной методологии проектирования пористых имплантатов из титановых сплавов. Отработанные подходы к цифровому моделированию механических свойств метаматериалов, прогнозированию остеоинтеграции и анализу биомеханических систем «кость – имплантат» показали свою эффективность и теперь будут распространены на новую область.
Дальнейшая работа над проектом предполагает смену как материала, так и объекта применения. Базовым материалом выбран полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) – высокопрочный биосовместимый полимер. В качестве целевого изделия рассматриваются пористые имплантаты для замены межпозвоночных дисков (межтеловые кейджи). Основным методом аддитивного производства станет экструзионная 3D-печать филаментом (технология FDM/FFF), которая до недавнего времени имела ограничения применительно к высокотемпературным пластикам, однако последние технологические достижения открывают новые возможности для изготовления конструкций со сложной внутренней структурой.
Ключевая научная проблема остается общей для обоих этапов: цифровое проектирование имплантатов из материалов с настраиваемыми физико-механическими свойствами, обеспечивающих эффективное врастание костной ткани в объем конструкции. Однако новый этап предполагает более высокий уровень сложности расчетных постановок.
Если ранее процессы остеоинтеграции моделировались на уровне элементарной ячейки метаматериала, то теперь задача будет решаться в макроскопическом объеме пористого имплантата в целом. Это позволяет учесть реалистичные условия нагружения, которые определяющим образом влияют на дифференциацию клеток и формирование костной ткани в поровом пространстве. Такой переход дает возможность более достоверно оценить глубину и скорость врастания кости в систему поровых каналов кейджа – параметры, критически важные для обеспечения долговременной стабильности имплантата в межпозвоночном пространстве.
«Научная новизна нового этапа заключается в переходе от моделирования остеоинтеграции на уровне единичной ячейки к макроскопическому объему имплантата в целом. Такая постановка крайне редко встречается в мировой литературе и позволяет количественно оценить глубину врастания костной ткани под действием реальных физиологических нагрузок. Развиваемые в проекте методы вычислительной механобиологии создают фундамент для априорного прогнозирования приживляемости имплантата – задачи, которая до сих пор решалась в основном экспериментально, методом проб и ошибок. Переход от тазобедренного сустава к позвоночнику расширяет клиническую значимость разрабатываемой методологии и отвечает реальным запросам медицинской отрасли».
Программа исследований на 2026 год включает несколько последовательных этапов. На первом планируется разработка серии геометрических и конечно-элементных моделей новых метаматериалов решетчатого типа, учитывающих технологические особенности послойного наплавления филамента. Будет проведен численный анализ эффективных упругопластических свойств на ячейке периодичности и на макрообразце, что позволит количественно оценить влияние топологических и морфологических параметров на жесткость и прочность.
На втором этапе на основе отобранных структур будут спроектированы модели межтеловых кейджей, предназначенных для имплантации в шейный и грудопоясничный отделы позвоночника, и выполнен анализ их напряженно-деформированного состояния при характерных статических нагрузках.
Завершающим блоком первого года станет построение конечно-элементной модели позвоночно-двигательного сегмента по данным компьютерной томографии и ее верификация при нагрузках, соответствующих наклонам и поворотам с учетом веса тела.
В 2027 году основное внимание будет уделено моделированию репаративной регенерации костной ткани непосредственно в объеме имплантата-кейджа, а также экспериментальной верификации разработанных компьютерных моделей. Планируется изготовление физически подобных образцов метаматериалов и прототипов кейджей из доступных полимеров на имеющемся оборудовании с последующими стандартизированными испытаниями на сжатие. На финальном этапе модифицированная модель позвоночно-двигательного сегмента с установленным имплантатом будет исследована при нагрузках, соответствующих нормальной двигательной активности, с учетом прогнозируемой степени остеоинтеграции.
Практическим итогом проекта должен стать комплекс компьютерных моделей пористых имплантатов на основе аддитивно производимых метаматериалов из ПЭЭК, а также результаты анализа их прочности и стабильности в межпозвоночном пространстве при физиологических нагрузках.
«Переход на полиэфирэфиркетон и технологию экструзионной 3D-печати открывает новые возможности для изготовления имплантатов со сложной внутренней структурой при снижении материалоемкости и себестоимости. В отличие от титановых сплавов, ПЭЭК обладает модулем упругости, близким к костной ткани, что минимизирует эффект экранирования напряжений».
Фундаментальная значимость работы связана с развитием методов вычислительной механобиологии. Предложенная постановка задачи регенерации костной ткани в полном объеме имплантата, а не на отдельной ячейке, является малоизученной в научной литературе и может дать новые результаты по априорной оценке степени остеоинтеграции.
В более широком плане проект направлен на создание отечественного комплексного подхода к цифровому проектированию и производству ортопедических имплантатов – от построения расчетной модели на основе томографии до многокритериального анализа конструкции и предсказательного моделирования ее приживления. Это отвечает задачам развития персонализированной медицины и соответствует стратегическим приоритетам университета в области технологических основ здоровьесбережения и цифровой трансформации промышленности.
«Разработанная в проекте цифровая методология – от расчета упругопластических свойств метаматериала до полномасштабного моделирования остеоинтеграции – создает основу для отечественного производства конкурентоспособных полимерных имплантатов, востребованных в вертебрологии и травматологии»».
