Костный дефект после перелома, опухоли или тяжелой травмы — у каждого пациента он уникален. Уральские ученые используют персонализированный подход: они убеждены, что имплант должен быть индивидуальным — созданным точно под анатомию конкретного человека.
В Уральском государственном медицинском университете (УГМУ) открылась первая в России лаборатория, где исследуют импланты на основе никелида титана — биосовместимого материала с уникальными свойствами, которого еще нет в российском коммерческом производстве. Пока здесь имплантируют экспериментальные образцы лабораторным животным — мышам, крысам, кроликам, отрабатывают режимы печати и изучают поведение материала в живом организме.
Вспомнить все: как материал с памятью помогает восстанавливать костные дефекты
Никелид титана медиками применяется с 1970–1980-х годов, и у него есть отличительные свойства, которых нет у конкурентов. Одно из них — память формы: материал можно временно деформировать, но при нагревании в организме он вернется в исходное положение. А главное, запрограммированная пористая структура материала способствует прорастанию сосудов и тканей — кость буквально врастает в имплант, что повышает эффективность восстановления.
Еще он, в отличие от обычного титана, не образует биопленки на границе с тканями, что снижает риск воспалений и микробной колонизации. Недавно ученые УГМУ вместе с томскими коллегами протестировали образцы, напечатанные в Питерском Политехе, и пришли к выводу: именно никелид титана лучше всего подходит для замещения костной ткани.
Сначала — в виварии
Прежде чем перейти к клиническому применению, специалисты хотят убедиться, что материал ведет себя в организме именно так, как задумано. Поэтому сейчас лаборатория отрабатывает режимы печати на образцах — кубиках, пластинах, шайбах и цилиндрах. По сути это и есть импланты, но не клинические, а экспериментальные. Простая геометрия выбрана намеренно: она позволяет изолированно оценить влияние режимов печати на свойства материала, не добавляя лишних переменных.
Эти образцы имплантируют лабораторным животным и наблюдают, как никелид титана интегрируется с тканями. Только после того, как ученые убедятся в биосовместимости, пористости и остеоинтеграции материала, они перейдут к следующему этапу — печати сложных имплантатов.
От снимка — к импланту
Схема выглядит так: пациент проходит компьютерную томографию, и на основе снимков специалисты моделируют форму импланта в цифровой среде — с учетом анатомии дефекта. Затем изделие послойно формируется на металлическом 3D-принтере методом селективного лазерного сплавления (SLM): лазер спекает металлический порошок слой за слоем.
«Главное преимущество технологии — возможность создавать имплант под конкретного пациента. Мы учитываем размеры и особенности дефекта, моделируем изделие индивидуально и получаем конструкцию, максимально адаптированную под клиническую задачу. Это важный шаг в развитии персонализированной медицины и реконструктивной хирургии», — говорит руководитель лаборатории УГМУ Иван Гордиенко.
В процессе участвуют биоинженеры, врачи и рентгенологи. Полный цикл — от снимка КТ до готового изделия — займет от двух недель до трех месяцев в зависимости от сложности случая.
Первые в России: как это доказали
Заявить о первенстве — значит его подтвердить. Специалисты УГМУ подошли к этому системно: изучили официальный реестр производителей индивидуальных медицинских изделий Росздравнадзора. В нем около 40 производителей, включая белорусские компании. Из них пять-шесть работают с титаном, но коммерческого производства изделий из никелида титана в стране нет.
Дополнительный источник информации — живое общение c коллегами из других университетов-участников программы «Приоритет-2030». У многих есть аддитивное производство, но они печатают сталью, алюминием, медью и обычным титановым сплавом. Именно поэтому лаборатория УГМУ стала в стране первой, кто исследует индивидуальные импланты из никелида титана методом селективного лазерного сплавления.
Лаборатория и команда
Полное название площадки — «Новые материалы и технологии персонализированной и регенеративной медицины». В штате пять человек, также работают четыре студента и два аспиранта.
Направления работы лаборатории:
— аддитивные технологии (3D-печать пластиковых и металлических материалов);
— 3D-биопринтинг;
— биорезорбируемые материалы на основе магния и цинка, исследование композитов методом литья;
— комплексная оценка токсичности инновационных материалов для медицины.
Список оборудования лаборатории включает:
— металлический 3D-принтер M150 (селективное лазерное сплавление);
— два FDM-принтера компании URAL3D Print;
— два фотополимерных принтера фирмы Elegoo для образовательных целей;
— 3D-биопринтер Rokit DR INVIVO 4D2;
— 3D-сканеры (настольные и напольный).
Также здесь работают виварий для исследований на животных, где содержатся мыши, крысы, кролики, и отдел клеточных технологий с возможностью 3D-биопринтинга — для печати на основе хондроцитов и остеоцитов.
Помимо металлических конструкций, в лаборатории работают с полимерными материалами и медицинскими смолами. Их используют для прототипирования и изготовления временных коронок в стоматологии, из них же можно моделировать дефекты костей перед операцией и создавать наглядные пособия для студентов и врачей.
Руководит лабораторией доцент кафедры детской хирургии, доктор медицинских наук, врач травматолог-ортопед, член Российской Ассоциации детских хирургов Иван Гордиенко.
Где пригодится
Направлений применения никелида титана несколько, и каждое закрывает свою острую задачу:
— травматология и ортопедия — восстановление костных дефектов опорно-двигательного аппарата;
— челюстно-лицевая хирургия — индивидуальное 3D-моделирование пластины для замещения дефекта;
— военно-полевая хирургия — реконструкция массивных костных дефектов у солдат после минно-взрывных ранений;
— онкология — создание биорезорбируемого каркаса грудной железы после мастэктомии с последующим замещением собственной жировой тканью пациентки на замену имплантам.
Горизонт — 2030
Медики предупреждают: прежде чем технология дойдет до пациентов, ей предстоит пройти несколько обязательных этапов. После доклинических испытаний на животных и подтверждения биосовместимости материала ожидается регистрация порошка никелида титана и получение регистрационного удостоверения, оценка системы менеджмента качества и внесение в реестр Росздравнадзора. Только после этого установка новых имплантов людям станет возможной официально.
«В настоящее время лаборатория работает над доказательной базой безопасности и эффективности новых разрабатываемых медицинских изделий, выполняя в основном фундаментальные типы исследований. Однако перспектива практического применения достаточно четкая и год за годом вектор деятельности будет смещаться на мелкосерийное производство», — подчеркивает Иван Гордиенко.
К 2030 году его команда рассчитывает получить регистрационное удостоверение на порошок и начать активное внедрение технологии в медицинскую практику — сначала в Свердловской области, затем по всей стране.
Создание лаборатории стало возможным благодаря участию университета в программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
