Держать спину

Два года назад «Казахстанская правда» рассказала о проекте Восточно-Казахстанского технического университета по изготовлению имплантов («Металл элитный, марки Grade», 30.01.2018 года). Напомним: ученые предложили технологию по выпуску медицинских изделий на 3D-принтере, а также по нанесению напыления из биосовместимых металлов.

На сегодня научный проект вышел на заключительную стадию: в столичном НИИ травматологии и ортопедии успешно прооперировали двух пациентов, установив им межпозвоночные кейджи. Врачи конс­татировали: искусственные крепления прижились.

...Сидячий образ жизни и эра гаджетов с каждым годом множат армию людей, испытывающих проблемы с позвоночником. На сегодня чуть ли не самыми востребованными имплантами в спинальной хирургии стали кейджи – искусственные конст­рукции, нормализующие состоя­ние позвоночного столба.

Кейдж – это, образно говоря, шайба или полая трубка, которую размещают между позвонками для их стабилизации. Внутрь вкладывают транс­плантат – костную ткань самого пациента. Ткань постепенно срастается с телом позвонков, а кейджи удерживают их так, чтобы спинной мозг и корешки нервов не сдавливались.

Во всем мире для изготовления имплантов применяют субтрактивный метод, или, если проще, отсечение от заготовки всего лишнего. Ученые Восточного Казахстана предложили делать медицинские изделия на 3D-принтере путем послойного добавления материала.

Как пояснил Дмитрий Догадкин, инженер-исследователь университетского центра опережающего развития Veritas, именно такая слоеная «выпечка» позволила сделать конструкции сложными по геометрии и пористыми по структуре.

– Врачи ставили перед нами задачу создать кейджи с порис­той структурой, – рассказал научный сотрудник. – По сути, изделие получает готовую сеть разветвленных каналов для прорастания сосудов. Это повышает приживаемость. При обычных технологиях получить такие импланты невозможно. Кроме того, у наших кейджей зубчики ровные, тогда как у зарубежных образцов – косые. Мы сделали такую конструкцию в соответствии с рекомендациями НИИ.

Образцы, переданные медикам для клинических испытаний, изготовлены из сплава титана, алюминия и ванадия. Это общепринятое сертифицированное сочетание металлов, не требующее дополнительных проверок. Однако в сотрудничестве с Ульбинским металлургическим заводом ученые разработали еще сплав из титана, ниобия и тантала.

Два года назад такие «таблетки» Ti-Nb-Ta исследователи вживили кроликам и в течение нескольких месяцев следили за их состоянием. Анализы, проведенные в лабораториях Новосибирска и Нур-Султана, показали превосходную биологическую совместимость. Тем не менее, по словам Дмитрия, у материа­ла все-таки есть два минуса. Во-первых, тяжелые ниобий и тантал увеличивают вес изготовленных из них имплантов. А во-вторых, эти редкие металлы еще являются и дорогими.

– Пока сплав титан-алюминий-ванадий – это лучший вариант, – заключил инженер-исследователь.

Перекрестное напыление

На сегодня в университете в соответствии с запросами врачей разработали десятки образцов для оперативного вмешательства. Только для спинальной хирургии к кейджам идет комплект винтов, а также фиксирующих пластин, стержней и крючков. Одни импланты предназначены для исправления, например, кривизны позвоночника, другие – для лечения переломов. Кроме того, выполнены образцы пластин для локтевых, плечевых, бедренной костей, большой берцовой…

– Аддитивные технологии, то есть с использованием 3D-печати, позволяют учитывать индивидуальные особенности пациента, – отметил научный сотрудник. – Хирурги принимают во внимание даже строе­ние тела. Если человек худощавый, ему нужны импланты с низким профилем, чтобы не были заметны через кожу. Если же пациент в теле, у него выше нагрузка на спину, то, соответственно, используются высокопрофильные импланты. Их не видно, но они полностью решают вызванную проблему.

Часть изделий, например тазобедренный сустав или пластины для плечевой и бедренной костей, имеют еще покрытие. Его наносят методом микродугового оксидирования. Наз­вание сложное, но сам процесс давно известен и даже изложен в школьном курсе физики.

Если в двух словах, выглядит это так: деталь помещают в электролит, пропускают переменный ток, вызывающий микродуговые разряды. В результате по ходу физико-химической реакции на поверхности изделия образуется тонкий, но прочнейший оксидный слой. Он буквально врастает в материал. Имплант получается не просто износостойким и с антикоррозионными свойствами – он становится практически вечным.

Ученые востока республики применили двухслойное напыление: первый слой из чистого титана увеличивает пористость в месте крепления к кости, а второй – из гидроксиапатита, или компонента костной ткани, улучшает закрепление и приживаемость.

– В случае перехода на промышленное производство имп­ланты будут выпускать разных размеров и сериями, – пояснил Дмитрий. – Поэтому для врачей, чтобы им было удобней в операционной, мы промаркировали серии разными цветами.

Лаборатория, где ученые создают трехмерные компьютерные проекции и реальные образцы из металла, больше смахивает на медицинский центр. Стекло, керамика, стерильные станки с числовым программным управлением. Винтики и болтики любых размеров, вплоть до самых мельчайших, производит станок-автомат. Достаточно загрузить в его «мозг» компьютерную 3D-модель, как он сам начинает подавать себе пруток из титанового сплава. Сам его захватывает, отрезает, обрабатывает, сам выдает готовое изделие. 3D-принтер по металлу вообще выглядит, как в фантастическом фильме. Те, кто работает на нем, обычно надевают халаты, шапочки и перчатки.

– Медики начали клиничес­кие испытания на людях в начале лета, – дал комментарий проректор по научной работе и инновациям ВКТГУ Олег Гавриленко. – Пока все идет благополучно, с положительным результатом. Этот процесс займет еще примерно год. Сейчас врачи использовали межпозвоночные кейджи. В планах – испытать еще пластины для травматологии, винты и другие изделия. Перечень составляли в республиканском институте травматологии и ортопедии, врачи внесли в него все самое необходимое. Кроме того, есть совершенно новые импланты, медики попросили их разработать исходя из своих врачебных задач. Таких нигде нет, это полностью наше ноу-хау.

В случае успешного завершения испытаний в регионе могут перейти к серийному производству. Правда, как подчерк­нули в вузе, эта часть проекта университета уже не касается. «Университет – это наука, испытания, на этом роль науки заканчивается», – заключил проректор.