Вместо цельного металлического имплантата инженеры предложили тонкую и прочную конструкцию с множеством ячеек. Ее жесткость можно заранее рассчитать с учетом особенностей кости конкретного пациента, чтобы нагрузка при ходьбе распределялась естественным образом.

Технология основана на мета-биоматериалах — объемных решетках, которые напоминают пчелиные соты и проходят через весь протез. Внутренние пустоты служат каркасом для роста ткани и, как предполагается, побуждают стволовые клетки формировать новую кость внутри титановой конструкции.

По словам ведущего инженера ПИШ СПбПУ Михаила Жмайло, при цифровом проектировании можно одновременно задать нужную жесткость имплантата и условия для регенерации. Таким образом, свойства будущего изделия определяют еще до его изготовления.

Компьютерные расчеты показали, что биологический материал способен заполнить искусственный каркас за три месяца. До печати протезов из титанового сплава их цифровые модели проверили на суперкомпьютере в семи режимах нагрузки: от обычной ходьбы до быстрого подъема по лестнице и вставания со стула.

Во всех испытаниях напряжение оставалось ниже критического уровня. Для бедренной кости наиболее подходящей признали решетку типа «Diamond», а для сложной формы таза — поверхностную структуру «Gyroid».

Директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и научный руководитель проекта Алексей Боровков назвал главным результатом работы не отдельную конструкцию, а методологию и базу знаний. Они должны помочь проектировать имплантаты с предсказуемыми свойствами под конкретные клинические задачи.

В течение ближайших двух лет ученые продолжат исследования при поддержке гранта Российского научного фонда. За это время они планируют приспособить разработку для производства полимерных имплантатов позвоночника.