Международный коллектив исследователей, состоящий из учёных НИТУ «МИСиС» и Технического университета Дортмунда (нем. Technische Universität Dortmund), разработал технологию исследования ортопедического имплантата в условиях, максимально приближённых к человеческому организму. Новый метод отличается этичностью: анализ может проводиться in vitro — то есть, без участия лабораторных животных. Статья о разработке опубликована в журнале Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials.
Эндопротезирование — замена повреждённого сустава или кости на высокотехнологичный протез — сложная операция, для которой используются специальные высокотехнологичные металлические, керамические и полимерные материалы.
Любой материал для имплантата проходит ряд проверок, в том числе на биосовместимость и на поведение в условиях механической нагрузки. Поскольку результаты таких исследований в традиционных лабораторных условиях сильно отличаются от реальных показателей износа, для проверки поведения имплантата в условиях живого организма его вживляют в тело лабораторного животного. Спустя какое-то время, обычно около года, имплантат извлекают, и проводят оценку биосовместимости и старения материала.
Учёные из Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Технического университета Дортмунда разработали технологию, которая позволит отказаться от использования подопытных животных. Теперь у разработчиков протезов появится возможность прогнозировать износ материала в условиях механической нагрузки в среде, приближённой к реальной. Особо синтезированная жидкость, имитирующая плазму человеческой крови, и высокотехнологичная сервогидравлическая установка полностью заменили подопытный живой образец.
В качестве материала исследования был использован разработанный учёными из НИТУ «МИСиС» биомиметический сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
«Мы предоставили материал и предложили использование синтетической плазмы, а наши коллеги из Технического университета Дортмунда разработали технологию усталостных испытаний и провели эксперимент на своём оборудовании, — комментирует Фёдор Сенатов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС». — Материал подвергался двум видам механической нагрузки, имитирующей нагрузку бедренной и большой берцовой костей: циклической и статической. Благодаря этому эксперименту, мы доказали, что можно in vitro прогнозировать поведение ортопедического имплантата в условиях человеческого организма, не прибегая к испытаниям на животных».
«Нашим стремлением было предложить альтернативу, которая бы позволила сократить количество тестов на животных — с точки зрения оценки усталостных свойств они малоэффективны, а с точки зрения этики — сомнительны. Кроме того, мы хотели предложить новый метод, который бы позволил испытывать имплантационный материал на долговечность в лабораторных условиях. В общемировой практике до сих пор не существует никаких нормативов для исследования усталостных свойств имплантатов в биомиметической среде, что сопряжено с большими рисками применения новых материалов. Мы работаем в области разработки тестов, которые позволяют максимально точно прогнозировать срок службы материала. Подобные эксперименты уже проводились группой профессора Вальтера (руководителя исследовательской группы с немецкой стороны) для металлических и керамических имплантатов. Для полимеров этот эксперимент пока уникален, и не имеет мировых аналогов», — рассказывает представитель исследовательской группы Технического университета Дортмунда Марина Князева.
Другой существенный плюс предложенной учёными технологии исследования — экономия времени. Если только для оценки химического старения имплантата в условиях живого организма может потребоваться около года, то для испытаний на долговечность требуются десятки лет. В условиях in vitro процесс химического старения и износа можно существенно ускорить. Если показатели износа материала окажутся неудовлетворительными, об этом станет быстро известно, и можно будет продолжать опыты уже с другими образцами.
Однако о полном отказе от роли лабораторных животных в тестировании материалов для протезирования говорить пока рано.
«Наша технология позволит сравнивать сразу несколько материалов, не тестируя ни одного из них на животных. Однако когда будет найден наиболее оптимальный материал из списка, его потребуется тестировать уже in vivo — в живых организмах. Это обуславливается, прежде всего, необходимостью проверить биосовместимость материала, а также его ортопедические параметры — ведь у пациентов могут встретиться самые разные особенности опорно-двигательного аппарата», — объясняет Фёдор Сенатов.
Таким образом, учёными предлагается комплексная технология исследования поведения имплантата, где эксперименты по ускоренному старению in vitro позволят предсказать срок службы потенциального имплантата, а последующие проверки in vivo — его биосовместимость.
