Гидрогель, имитирующий хрящевую ткань, поможет создавать идеальные имплантаты для коленей

В материал, приближенный к хрящевой ткани, учёные добавили наночастицы глины, чтобы сделать гидрогель текучим при нагрузке и быстро твердеющим в состоянии покоя.

Фото Feichen Yang.

Одним из самых неприятных и долгозаживающих повреждений у профессиональных спортсменов считается травма колена. Восстановление коленного сустава проходит очень болезненно и требует особого внимания, поскольку малейшее нарушение может отразиться на двигательной активности человека на всю жизнь.

Но сталкиваются с такими травмами не только спортсмены: повредить колено можно когда и где угодно, не стоит забывать и о возрастных заболеваниях, а также болезнях суставов. Не так давно для лечения остеоартроза была предложена новая методика: специалисты смогли восстановить повреждённое колено человека с помощью хряща, взятого из носа пациента.

Ещё одно открытие в этой области сделала команда американских учёных: на этот раз в ход пошли не человеческие хрящи, а напечатанные на 3D-принтере. Специалисты из университета Дьюка разработали гидрогель, который имитирует структуру ткани человеческого хряща.

Суть идеи проста: на 3D-принтере создаётся искусственный хрящ, идеально совпадающий с суставом колена пациента. Затем хирурги заменяют повреждённый мениск, и коленный сустав постепенно восстанавливает свои потерянные функции.

Как отмечают авторы, их технология станет незаменимой для людей преклонного возраста. Как известно, с течением жизни мениски стираются от трения в суставе, и в какой-то момент перестают восстанавливаться. Сегодняшние имплантаты технически способны заменить мениск, однако они не могут полностью восстановить работу сустава, поскольку не обладают необходимой силой сопротивления и упругостью реального хряща.

Кроме того, мениск состоит из двух взаимодополняющих слоёв – жёсткого срединного и мягкого внешнего слоя, а значит, создание имплантата требует использования двух различных материалов. Именно поэтому новая разработка сочетает две разновидности гидрогеля – упругий и мягкий.

В материал, наиболее приближенный к хрящевой ткани, учёные добавили также наночастицы глины, чтобы сделать гидрогель текучим при нагрузке и быстро твердеющим в состоянии покоя.

По словам авторов исследования, создаваться анатомически точные имплантаты должны на основании данных компьютерной или магнитно-резонансной томографии. Врачи определяют, как должна выглядеть трёхмерная модель имплантата, и затем загружают информацию в устройство, которое приступает к печати. Для этого подойдёт только многофункциональный 3D-принтер, который работает сразу с несколькими материалами.

"Форма играет важнейшую роль для мениска, ведь этот хрящ находится под сильным давлением. Если имплантат не подходит вам идеально, то он может выскользнуть или же оставаться на месте, но приносить изнуряющую боль при ходьбе", — отмечает соавтор работы Бенджамин Уайли (Benjamin Wiley).

Преимущество новой технологии заключается также в простоте и относительной дешевизне: на принтере стоимостью 300 американских долларов (около 17 тысяч рублей) можно напечатать анатомически идеальный имплантат всего за один день.

"Я надеюсь, что демонстрация лёгкости, с которой это может быть сделано, привлечёт множество других людей, заинтересованных в создании более реалистичных гидрогелей для трёхмерной печати", — заключает Уайли. Его команда продолжит работу над своей технологией, чтобы её внедрение стало повсеместным. Конечная цель исследователей – превратить замену мениска в рутинную операцию, после которой у пациентов не будет проблем с коленным суставом.

Более подробно разработка американских учёных описана в издании ACS Biomaterials Science and Engineering.

Впрочем, мениск – не единственное, чем может похвастаться трёхмерная печать. К примеру, медикам эта технология помогает успешно "ремонтировать" кости и создавать зубы, которым не страшен кариес. Также мы рассказывали об операции по пересадке свода черепа, который был напечатан на 3D-принтере.