Межпозвоночные диски работают как амортизатор, обеспечивая определенный угол сгибания, скручивания и вращения между соседними позвонками. Титановые конструкции часто не способны их заменить — 12% из них мигрируют после установки, а 5% полностью разрушаются под нагрузкой.
Снизить риск повреждения костей и суставов могут импланты из особых материалов — ауксетиков. Когда их сжимают или растягивают, они ведут себя необычным образом — вместо того чтобы сжиматься в поперечном направлении, они расширяются во все стороны. Например, резинка при растягивании становится длиннее, но при этом тоньше в ширину. Ауксетики же при таком же воздействии будут становится толще.
«Ауксетические метаматериалы благодаря своей необычной структуре могут быть оптимальны для нагрузок, которые испытывает человеческий организм. Такие структуры способны эффективно амортизировать удары и вибрации, снижая риск повреждений костей и суставов. Ауксетики на основе сотовой ячейки подходят для использования в таких изделиях, как скаффолды, костные имплантаты, кейджи и другие. Ауксетики на основе вращающейся геометрии лучше для гибких медицинских изделий, таких как стенты, кожно-мышечные пластыри или скаффолды для мягких тканей», — рассказал соавтор патента директор НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Фёдор Сенатов.
Ученый НИТУ МИСИС Владислав Львов усовершенствовал обычный титановый имплант, добавив в него ауксетические метаматериалы. Лучшую прочность и амортизацию обеспечивает специальная сотовая структура материала, которую исследователь подобрал с помощью компьютерной программы. Он создал параметрическую систему, а затем на её основе алгоритм смоделировал механические, тепловые и другие испытания. Это помогло выбрать оптимальную геометрию ауксетика с набором необходимых свойств. Итоговое изделие напечатано на 3D-принтере.
«3D-печатные кейджи из ауксетических метаматериалов со структурами с углом наклона между ребрами меньше 90 ̊ демонстрируют более высокую статическую прочность на сжатие и усталостную прочность. Поэтому они могут стать отличной основой для межпозвонковых кейджей, поддерживая участки поврежденного позвоночника и способствуя росту костной ткани при лечении дегенеративного заболевания диска», — отметил инженер 1 категории НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Владислав Львов.
Сейчас ученый продолжает исследовать возможности применения ауксетических материалов для спинальной хирургии. Затем изделия должны будут пройти доклинические и клинические испытания. В промышленное производство их планируют запустить в 2025 году.
