Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка технологии 3д-печати биорезорбируемых имплантатов
НТТМ-2017-1794 | Категория II

Автор:

Торопков Никита Евгеньевич

Антонкин Никита Сергеевич

Научный руководитель:
Петровская Татьяна Семеновна
Организация:
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
Томская область, Томск
Цель работы
разработать серию композитов на основе синтезированных фосфатов кальция – L,D-полилактид, пригодных для печати на принтере по технологии FDM, имеющих достаточную прочность для использования их в имплантатологии
Обзор предметной области
На данный момент ведется активный поиск биосовместимых материалов для имплантатов, используемых в травматологии и ортопедии и направленных на коррекцию травм и уменьшение риска осложнений заболевания костной ткани имеющих малые послеоперационные осложнения.
Золотым стандартом в биоинженерии костной ткани, например, в челюстно-лицевой хирургии является аутологичная (собственная) кость, однако, малый объём изымаемой костной ткани и многостадийность оперативного вмешательства являются существенным ограничением ее использования. Ввиду этого целесообразно рассматривать в имплантологии потенциальные материалы, способные замещать костные дефекты и выполнять полноценно все механические свойства кости без причинения неудобств носителю.
Отсутствие полной конгруэнтности имплантата с окружающими тканями приводит к локальному отторжению эндопротеза в зонах с недостаточной интеграцией, к объёмным образованиям фиброзной ткани.
В настоящее время обширные дефекты костей (например, при онкологии) требуют использования имплантатов со сложной геометрией, которую можно получить при помощи совмещения комплекса рентгеновской томографии, моделирования и 3D-печати индивидуальных имплантатов для каждого пациента. В этом плане перспективными материалами считаются полимеры (и их композиты на основе биокерамики), особенно, полилактидов и других биорезорбируемых полимеров. С точки зрения регенеративной медицины, для костной ткани предпочтительны материалы, относящиеся к классу кальцийфосфатной керамики, которая идентична неорганическому костному матриксу по типу химической связи. Биорезорбируемые полимеры и фосфаты кальция теоретически должны контролируемо замещаться костной тканью, что приведет к зарастанию дефекта кости. Срастание костной ткани со структурой трехмерного имплантата значительно повышает механическую прочность биокомпозита “имплантат-кость”. Проблема состоит в том, что при растворении полимеров снижается рН тканевой жидкости. Кроме того, частицы полимеров поглощают гигантские клетки инородных тел. В совокупности биохимический и клеточный ответ на имплантат приводит к развитию асептического воспаления и образованию толстой капсулы из соединительной ткани между имплантатом и костью. Возникает микроподвижность имплантата, присоединение инфекционных агентов, инфекционное воспаление и неизбежное его удаление, которое в целом обозначают как “неуспех имплантата”. Поэтому применение биокерамики на основе гидроксиапатитов в перспективе должно нормолизовать pH прикостных жидкостей и уменьшать влияние растворения полимера, в перспективе с образованием новой кости.
Описание результатов проекта
В настоящее время обширные дефекты костей (например, при онкологии) требуют использования имплантатов со сложной геометрией, которую можно получить при помощи совмещения комплекса рентгеновской томографии, моделирования и 3D-печати индивидуальных имплантатов для каждого пациента. В этом плане перспективными материалами считаются полимеры (и их композиты на основе биокерамики), особенно, полилактид и другие биорезорбируемые полимеры. С точки зрения регенеративной медицины, для костной ткани предпочтительны материалы, относящиеся к классу кальцийфосфатной керамики, которая идентична неорганическому костному матриксу по типу химической связи. Биорезорбируемые полимеры и фосфаты кальция могут с известной скоростью замещаться костной тканью, что приведет к зарастанию дефекта кости. Срастание костной ткани со структурой трехмерного имплантата значительно повышает механическую прочность связи “имплантат-кость”. Также по данной технологии возможна печать образцов, которые при вживлении в прикоренную область зуба дают зародыши для прорастания новых зубов 3-его, 4-его поколений и т.д., не требуя затрат на дорогие операции по вживлению метал-керамических имплантатов (снижение стоимости операции на 50%), при этом вырастает зуб, имеющий те же свойства, что и родной зуб. Прочность же каркасов, напечатанных данными композитами имеет прочность 120МПа на сжатие и 70МПа на изгиб, что сопоставимо с аутологичной костью (до 120 МПа на сжатие и до 80МПа на изгиб). Учитывая высокий риск отторжения металлических имплантатов (до 13%), применяются различные методы модификации поверхности, напыления гидроксиапатитов, что неизбежно ведет к удорожанию стоимости конечного изделия. Основное преимущество нашего продукта будет заключаться в способности к резорбции, что исключает повторное хирургическое вмешательство в связи с износом имплантата. Для уменьшения риска отторжения зачастую используют покрытия на основе кальциевых фосфатов и полимеров молочной кислоты. Данные материалы используются нами как основные, поэтому риск отторжения снижается при использовании их, как основных. Разрабатываемая технология позволит снизить стоимость производства индивидуальных имплантатов по сравнению с существующими.
Описание применимости
Конечными потребителями продукта должны стать государственные медицинские учреждения и частные клиники, занимающиеся пластической хирургией. Данные прочностных характеристик позволяют применять материал в качестве основополагающего для заполнения костных дефектов. Данная разработка применима в пластической хирургии для коррекции костных тканей нуждающихся в "невидимой" регенерации, стоматологической хирургии. Использование нашей технологии в области регенеративной медицины поможет людям получившим открытый перелом восстановиться, при этом повторная операций по извлечению поддерживающих конструкций не потребуется.
Дальнейшее развитие проекта
На данный момент проводятся серия доклинических испытаний на подтверждение гипотезы о резорбции и отсутствия цитотоксичности. Данные испытания занимают от месяца до полу года. Также производится разработка топологической модели оптимизации используемых конструкций с уменьшением общей массы и имплантата, но имеющего соизмеримую прочность. Данный фактор будет влиять на скорость растворения и замещения имплантата костью, или полным его растворением.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ