Можно с уверенностью утверждать, что природа старейший и лучший в мире инженер. На протяжении тысячелетий она совершенствовала и оптимизировала структуру костей так, чтобы они становились легче и крепче. В результате люди стали учиться на примерах природы, и это направление даже получило название - биомимикрия.

Однако, некоторым может показаться неубедительным утверждение, что человеческие кости во многом превосходят материалы, которые используются для создания различных изделий.

Вы можете спросить, сильнее ли кость стали? Крепче ли кость бетона? В зависимости от того, о чем конкретно идет речь.

Например, эффективный модуль упругости кортикальной кости варьируется в диапазоне от  14 до 28 ГПа, что примерно соответствует модулю упругости бетона 8 – 36 ГПа, но прочность кости варьируется в диапазоне 100 – 200 МПа, что в разы превышает прочность на сжатие бетона 5 – 40 МПа.

Если рассмотреть нержавеющую сталь, то ее прочность на сжатие аналогична эффективному пределу прочности на сжатие кости, но при этом за счёт своей пористой структуры кость в три раза легче.

Основной особенностью кости является то, что её структура непостоянна, потому что она является частью живого организма. Кости адаптируются к образу жизни человека, становясь прочнее или ослабевая в зависимости от окружающей среды, возраста и здоровья. В НАСА установили, что кости астронавтов ослабевали в результате длительного пребывания астронавтов в условиях микрогравитации.

Так что же происходит, когда человеку приходится вмешаться в работу кости? Когда мы пытаемся заменить её работу, гений природы становится еще более очевидным.

Почему костный материал такой крепкий?

Несмотря на то, что импланты необходимы многим людям, их эффективность на большом промежутке времени не сопоставима со средней долговечностью кости. Например, срок службы коленного сустава может составлять от 60 до 80 лет. А вот имплантат коленного сустава в лучшем случае прослужит четверть от этого времени, поскольку имплантат, в отличие от кости, не обладает способностью к регенерации.

Инженеры должны проектировать имплантаты таким образом, чтобы они выдерживали большие нагрузки. В процессе ежедневной активности, например ходьбы или прыжков, скелет человека подвергается нагрузкам, превышающим вес тела в 4 – 20 раз. Это могут быть сжимающие, растягивающие, изгибные или крутящие нагрузки.

Как кость выдерживает эти нагрузки? За счет своей композитной микроструктуры. Кость состоит из коллагеновых волокон, жестко закрепленных плотным наполнителем и окружающими минералами. Также в костях присутствуют кровеносные сосуды, живые клетки, белки и вода.

Аналогичным образом искусственно созданные композиты приобрели свою значимость в проектировании и изготовлении конструкций. Однако, инженерам очень сложно повторить способность кости адаптироваться и менять свою структуру в зависимости от разных условий. Они используют и подбор материала из существующих, и разработку новых, совершенствуя имплантат до тех пор, пока он не будет соответствовать ожиданиям и требованиям.

Инженеры продолжают поиск заменителя костной ткани

Поскольку инженеры не в состоянии воспроизвести весь функционал кости, каждое медицинское изделие проектируется под конкретный случай использования.

Например, если пациент нуждается в трансплантации костной ткани, то инженеры сосредотачиваются на соответствии химии и микроструктуре исходной костной ткани пациента.

В данном случае хорошим вариантом будет использование фосфата кальция, так как он стимулирует рост костей, способствует заживлению и приживаемости привитого материала.

Имплантация суставов имеет свои сложности. Перед инженерами стоит задача найти такой материал, свойства которого будут соответствовать свойствам окружающей кости. Эти свойства материала будут варьироваться в зависимости от возраста, пола, веса, образа жизни пациента и других факторов. Инженерам также необходимо будет обеспечить, чтобы материал обладал необходимыми антикоррозионными и биосовместимыми свойствами.

В настоящее время большую популярность в процессе поиска и создания оптимальных материалов для изготовления имплантатов набирают аддитивные технологии, которые позволяют создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, используя которые можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Периодическая структура таких материалов подходит для изготовления эндопротезов, а пористая структура, в свою очередь, обеспечивает врастание костной ткани в эндопротез. Примером применения аддитивных технологий в проектировании эндопротеза является работа инженеров АО «ЦИФРА» в составе научной группы специалистов ИММиТ СПБПУ. 

Также подобрать материал, подходящий пациенту и его состоянию здоровья позволяет использование специального инструмента для выбора материала. Используя специальное ПО, инженеры могут помочь в разработке новых материалов, характеристики которых будут превосходить характеристики тех материалов, которые представлены на рынке в настоящее время. Узнать об этом подробнее можно на сайте разработчика специализированного ПО ANSYS Granta: Material Intelligence with Ansys Granta.

Данная статья является авторским переводом статьи из блога Ansys: https://www.ansys.com/blog/is-bone-material-stronger-than-steel.