Разработка самарских ученых и инженеров ускорит и удешевит производство титановых эндопротезов на 3D-принтерах

Ученые и инженеры Самарского университета им. Королёва разработают систему ускоренного проектирования и конструирования персонифицированных титановых эндопротезов, изготавливаемых с помощью 3D-печати и вживляемых в человеческий организм. Инновационная технология, по предварительным расчетам, примерно в 2,5 раза сократит время, необходимое для конструкторско-технологической подготовки 3D-печати того или иного индивидуального эндопротеза, предназначенного для конкретного пациента, а также позволит снизить вес создаваемых протезов и уменьшит себестоимость их изготовления. Проект, рассчитанный на год, реализуется в рамках Передовой инженерной аэрокосмической школы и получил финансовую поддержку Фонда содействия инновациям в виде гранта размером в 1 млн рублей.

"Наш проект должен решить актуальный для отечественной медицины вопрос о возможности разработки в сжатые сроки анатомически адаптированных эндопротезов, обладающих улучшенными функциональными свойствами. В настоящее время в России не существует единой комплексной системы проектирования и конструирования персонифицированных имплантатов, изготавливаемых с помощью аддитивных технологий, то есть на 3D-принтерах. Цель проекта – создать такую систему в виде цифровой интегрированной среды конструкторско-технологической подготовки производства. По нашим расчетам, она позволит сократить стандартные сроки подготовки производства в 2,5 раза, что составит порядка 15-20 дней. Соответственно, значительно сократится и общее время, затрачиваемое на создание эндопротеза", – рассказал руководитель проекта Максим Звягинцев, инженер-конструктор Инжинирингового центра Самарского университета им. Королёва.

Разрабатываемая самарскими учеными и инженерами технология позволит проектировать и готовить к печати имплантаты особой конструкции – с пористой внутренней структурой в виде мелких полых ячеек. По словам Максима Звягинцева, планируется, что ячейки будут иметь гексагональную, то есть шестиугольную, как у пчелиных сот, форму. Размеры ячеек составят примерно 5х5 мм.

Как известно, пчелиные соты, имеющие форму правильных шестиугольников, имеют достаточно высокую прочность при минимальной толщине стенок и на изготовление шестиугольных сот пчелы затрачивают наименьшее количество воска, в то время как соты любой другой геометрической формы потребовали бы большего расхода пчелиного строительного материала. Таким образом, эндопротез с гексагональными ячейками, обладая достаточной прочностью, окажется гораздо легче имплантата со сплошной внутренней структурой, да и дорогого расходного материала в виде титанового порошка на такой протез уйдет значительно меньше, а значит, снизится и себестоимость изготовления.

"Применение ячеистых структур приведет к экономии материала примерно в 2 раза, следовательно, снизится и себестоимость изделия – как показывают расчеты, на 45%. Кроме того, с нашей технологией будут использоваться отечественные, а не зарубежные порошковые материалы – это снизит себестоимость эндопротеза по сравнению с импортным аналогом еще на 30%", – отметил Максим Звягинцев.

Согласно медицинской статистике, чаще всего эндопротезирования требует тазобедренный сустав. По данным из открытых источников, ежегодно в России проводится более 80 тысяч операций по замене этого сустава, при этом потребность в таких операциях в нашей стране оценивается примерно в 200 тысяч в год.

Причиной для установки имплантата становятся, прежде всего, артрозы и травмы, в том числе переломы шейки бедра, наиболее опасные для людей пожилого возраста. Поэтому разрабатываемая технология будет прежде всего опробована для проектирования и конструирования именно тазобедренных эндопротезов. Хотя сама технология позволит создавать самые различные эндопротезы, в том числе и коленного сустава – второго по количеству проводимых операций эндопротезирования.

В рамках проекта предусмотрено проведение клинических испытаний изготавливаемых опытных образцов эндопротезов совместно с медучреждениями Самарской области. Технологию и конструкцию эндопротезов планируется запатентовать.

"Подавляющее большинство эндопротезов тазобедренного или коленного суставов, устанавливаемых в настоящее время в России, изготавливаются за границей. Отечественные производители эндопротезов пока не могут полностью взять на себя решение этой проблемы, хотя, конечно же, количество российских компаний-изготовителей продолжает увеличиваться с каждым годом. Наша разработка должна помочь снизить зависимость от поставщиков импортных имплантатов. Результатами проекта должны стать цифровая технологическая "инструкция" по созданию и изготовлению анатомически адаптированных эндопротезов ячеистой структуры, организация небольшого производства "на заказ" кастомизированных эндопротезов и оказание инжиниринговых услуг по конструкторско-технологической подготовке аддитивного производства имплантатов. Мы также планируем получить патенты на способ изготовления и на полезную модель конструкции эндопротеза", – подчеркнул Максим Звягинцев.

Фото: Елена Вагнер