Ученые Томского политехнического университета разработали и напечатали на 3D-принтере биоразлагаемые скаффолды с эффектом памяти формы на основе полимолочной кислоты (PLA) с добавлением наночастиц магнетита (Fe3O4). Полученные образцы обладают улучшенными механическими свойствами, что позволяет, например, программировать характеристики скаффолдов, включая способность восстанавливать форму после деформации. В будущем это позволит 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 механическими характеристиками, способные 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 возможным создание образцов сложной формы с высокой точностью, эффективностью и адаптивностью.
Ученые международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ создали с помощью 3D-печати биоразлагаемые скаффолды на основе полилактида и магнитных наночастиц. Политехники сделали несколько вариантов скаффолдов с разным коэффициентом заполнения (100%, 70%, 50% и 30%), которые затем исследовали методами рамановской спектроскопии, рентгеновской дифракции, и другими, сообщает пресс-служба вуза.
«Ключевым этапом исследования стало добавление Fe3O4. Это вызвало интересные реакции между полимером 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 из 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.
Разработанные материалы продемонстрировали значительный эффект памяти формы. Исследования показали, что композитные скаффолды PLA/Fe3O4 при воздействии горячей воды восстанавливают первоначальную форму на 85%, тогда как скаффолды из чистого PLA достигают 75% восстановления. Максимальная скорость восстановления формы отмечена у скаффолдов 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%.
«Имплантаты, основанные на PLA и Fe3O4, открывают множество возможностей персонализированного восстановления и регенерации костей, а также могут лечь в основу передовых биомедицинских приложений, например создания искусственных мышц и мягкой робототехники», — считает Роман Сурменев.
Вместе с учеными Томского политехнического университета в работах принимали участие ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Томского государственного университета и исследователи из португальского Авейруского университета.
В дальнейшем ученые будут работать над совершенствованием архитектуры скаффолдов путем изменения коэффициента заполнения, толщины слоя, скорости 3D-печати и содержания наполнителя, а также проведут эксперименты in vivo для оценки эффективности материалов при воздействии внешних переменных магнитных полей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда и администрации Томской области, результаты опубликованы в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials.