Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Томского госуниверситета и Университета Авейру (Португалия) разработали и напечатали на 3D-принтере биоразлагаемые скаффолды с эффектом памяти формы. Это позволит в будущем создавать имплантаты, которые будут легче интегрироваться в организм человека.

Проблема восстановления костной ткани, особенно при наличии критических дефектов, остается одной из наиболее сложных задач в медицине. Для ее решения требуются имплантаты с заданными 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 трехмерные структуры — скаффолды, — которые используют в качестве клеточных матриц, или каркасов, которые в сочетании с биологическими носителями ускоряют процессы регенерации костной ткани.

Ученые международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ создали с помощью 3D-печати несколько вариантов биоразлагаемых скаффолдов на основе полимолочной кислоты (PLA) с добавлением наночастиц магнетита (Fe3O4), которые затем исследовали с помощью различных методов, включая рамановскую спектроскопию и рентгеноструктурный анализ.

«Ключевым этапом исследования стало добавление Fe3O4 в состав полимера. Это вызвало интересные реакции между 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 скаффолдов PLA, придавая им необходимые свойства для применения в медицине. Например, композитный скаффолд с коэффициентом заполнения 50% продемонстрировал механические свойства, сопоставимые с губчатой костью человека», — рассказал один из авторов исследования, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.

Полученные образцы обладают улучшенными механическими свойствами, что позволяет, например, «программировать» характеристики скаффолдов, включая их способность восстанавливать форму после деформации.

По мнению ученых, имплантаты, созданные на основе новых структур, открывают множество возможностей персонализированного восстановления и регенерации костей, а также могут лечь в основу передовых биомедицинских приложений, например создания искусственных мышц и мягкой робототехники.