Ученые Томского политехнического университета разработали и напечатали на 3D-принтере биоразлагаемые скэффолды с эффектом памяти формы — в будущем это позволит создавать имплантаты, которые будут легче интегрироваться в организм. Результаты исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials (Q1, IF: 23,2).
Проблема восстановления костной ткани, особенно при наличии критических дефектов — крайне сложная задача, для решения которой требуются имплантаты с заданными механическими характеристиками, способные обеспечивать как механическую стабильность, так и стимуляцию регенерации костной ткани. В последние годы ученые сосредоточены на аддитивных технологиях, которые произвели революцию в лечении дефектов костей. 3D-печати позволяет создавать образцы сложной формы с высокой точностью, эффективностью и адаптивностью.
Авторы новой работы создали с помощью 3D-печати биоразлагаемые скэффолды на основе полимолочной кислоты (PLA) с добавлением наночастиц магнетита (Fe3O4). Они изготовили несколько вариантов скэффолдов с разным коэффициентом заполнения (100%, 70%, 50% и 30%), которые затем исследовали. Оказалось, что наночастицы могут выступать катализаторами реакций, приводя к макромолекулярным разрывам, а значит, изменяя кристаллическую структуру полимера. Это улучшает механические характеристики скэффолдов PLA, позволяя применять их в медицине. Например, композитный скэффолд с коэффициентом заполнения 50% продемонстрировал механические свойства, сопоставимые с губчатой костью человека.
Разработанные материалы показали значительный эффект памяти формы. Композитные скэффолды PLA/Fe3O4 при воздействии горячей воды восстанавливают свою первоначальную форму на 85%, тогда как чистые скэффолды PLA — на 75%. 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%.
По мнению ученых, имплантаты, основанные на PLA и Fe3O4, открывают множество возможностей персонализированной регенерации костей, а также развития передовых биомедицинских приложений, например, создания искусственных мышц и мягкой робототехники. В дальнейшем авторы планируют работать над совершенствованием архитектуры скэффолдов и проводить эксперименты in vivo для оценки эффективности материалов при воздействии внешнего переменного магнитного поля.