Испытание на долговечность: ученые придумали, как предсказать срок службы имплантата, не испытывая его на животных

Испытание на долговечность: ученые придумали, как предсказать срок службы имплантата, не испытывая его на животных

Международный коллектив исследователей, состоящий из ученых НИТУ "МИСиС" и Технического университета Дортмунда, разработал технологию лабораторного исследования поведения ортопедического имплантата в условиях, максимально приближенных к человеческому организму. Технология отличается своей этичностью: исследование 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 поврежденного сустава или кости на высокотехнологичный протез - сложная операция, для которой используются самые передовые металлические, керамические и полимерные материалы.

Любой материал для имплантата проходит ряд проверок, в том числе на биосовместимость и поведение материала 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.

Ученые из Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС" совместно с коллегами из Технического университета Дортмунда разработали технологию, позволяющую прогнозировать износ материала протеза в условиях механической нагрузки в среде, приближенной 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 учеными из Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС биомиметического сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

"Мы предоставили материал и предложили использование синтетической плазмы, а наши коллеги из Технического университета Дортмунда разработали технологию усталостных испытаний и провели эксперимент на своем оборудовании, - комментирует Федор 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, которые с точки зрения оценки усталостных свойств являются малоэффективными и сомнительными с точки зрения этики. Другим аспектом являлась возможность предложить новый метод, который бы позволил испытывать имплантатационный 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 (прим. - руководитель 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 учеными 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 Федор Сенатов.

Таким образом, учеными 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.

Рис. 1 - Образец материала в момент тестирования. Фотограф: Нильс Вегнер