Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда и администрации Томской области (проект №22-13-20043). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials (Q1, IF: 23,2).
Проблема восстановления костной ткани, особенно при наличии критических дефектов, остается одной из наиболее сложных задач в медицине. Для ее решения требуются имплантаты с заданными механическими характеристиками, которые способны обеспечивать как механическую стабильность, так и стимуляцию регенерации костной ткани.
В последние годы внимание ученых сосредоточено на аддитивных технологиях, которые произвели революцию в традиционных методах лечения дефектов костей. Благодаря 3D-печати стало возможно создавать образцы сложной формы с высокой точностью, эффективностью и адаптивностью.
Ученые международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ создали с помощью 3D-печати биоразлагаемые скэффолды на основе полимолочной кислоты (PLA) с добавлением наночастиц магнетита (Fe3O4). Политехники сделали несколько вариантов скэффолдов с разным коэффициентом заполнения (100%, 70%, 50% и 30%), которые затем исследовали методами рамановской спектроскопии, рентгеновской дифракции и другими.
«Ключевым этапом исследования стало добавление Fe3O4 в состав полимера. Это вызвало интересные реакции между полимером PLA и магнитными наночастицами, например, образование водородных связей между эфирными группами PLA и карбоксильными группами, которые покрывают поверхность магнитных наночастиц. Это доказывает, что наночастицы могут выступать в роли катализаторов реакций, приводя к макромолекулярным разрывам и, следовательно, изменяя кристаллическую структуру полимера. В свою очередь, это улучшает механические характеристики скэффолдов PLA, придавая им необходимые свойства для применения в медицине. Например, композитный скэффолд с коэффициентом заполнения 50% продемонстрировал механические свойства, сопоставимые с губчатой костью человека», — отмечает один из авторов исследования, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.
Разработанные материалы продемонстрировали значительный эффект памяти формы. Исследования показали, что композитные скэффолды PLA/Fe3O4 при воздействии горячей воды восстанавливают свою первоначальную форму на 85%, тогда как чистые скэффолды PLA достигают 75% восстановления. Максимальная скорость восстановления формы была отмечена у скэффолдов с наименьшим коэффициентом заполнения.
Исследования также показали, что эффект памяти формы сохраняется для образцов с различной геометрией, все они продемонстрировали полное восстановление формы до 100%.
«Имплантаты, основанные на PLA и Fe3O4, открывают множество возможностей персонализированного восстановления и регенерации костей, а также могут лечь в основу передовых биомедицинских приложений, например, создания искусственных мышц и мягкой робототехники», — уверен Роман Сурменев.
В дальнейшем ученые будут работать над совершенствованием архитектуры скэффолдов путем изменения коэффициента заполнения, толщины слоя, скорости печати и содержания наполнителя, а также проведут эксперименты in vivo для оценки эффективности материалов при воздействии внешнего переменного магнитного поля.
