Разработан новый метод моделирования имплантов

Ученые из Сколковского института науки и технологий применили новый метод проектирования и изготовления керамических костных имплантов с контролируемой структурой пористости. Это значительно повышает эффективность сращивания биологических тканей. Исследование опубликовано в журнале Applied Sciences.

Материалы для костных имплантов должны обладать определенным набором характеристик, поэтому для них подойдет далеко не каждое вещество. Одними из подходящих являются керамические материалы. Они устойчивы к химическому и механическому воздействию, а также демонстрируют высокую износостойкость. Сегодня благодаря 3D-печати стало возможно создавать керамические костные импланты по индивидуальному дизайну.

Чтобы клетки в зоне импланта могли успешно разрастаться, используются различные пористые структуры. Для эффективного сращивания тканей поры должны быть размером около нескольких сотен микрометров, при этом сам имплант может быть на несколько порядков больше. При практическом применении все изготавливаемые импланты должны проектироваться исходя из индивидуальных особенностей пациента. Из-за этого возникает проблема с быстрым проектированием. Традиционные методы геометрического моделирования, основанные на поверхностном представлении модели здесь неприменимы из-за сложной внутренней структуры объектов.

Российские ученые из Сколтеха применили новый метод моделирования имплантов. Он основан на функциональном представлении (Function Representation - FRep). «Моделирование микроструктур с использованием FRep имеет ряд преимуществ. Во-первых, в процессе FRep моделирования всегда гарантируется корректность полученной модели, в отличие от традиционного полигонального представления в системах автоматического проектирования, в которых высока вероятность получить трещины или нестыковки граней модели. Во-вторых, это полная параметризация получаемых микроструктур, что дает высокую гибкость в быстрой генерации вариабельных 3D моделей. В-третьих, это наличие различных инструментов для моделирования различных сеточных структур», — рассказал Евгений Мальцев, научный сотрудник Сколтеха и один из авторов статьи.

Ученым удалось с помощью метода FRep спроектировать цилиндрические импланты. При моделировании ячеистой микроструктуры за основу была взята кубическая ячейка алмаза. Затем ученые с помощью 3D-печати изготовили керамические образцы имплантов и провели механические испытания, подвергнув сжатию. Ученые отмечают, что за счет изменения пористой структуры, метод позволяет получать импланты разной плотности индивидуально под каждого пациента.