Τα σύγχρονα μεταλλικά εμφυτεύματα για την αντικατάσταση των αρθρώσεων επιτρέπουν στους ασθενείς να επιστρέψουν στην ενεργό ζωή, αλλά το κύριο μειονέκτημά τους είναι η υπερβολική ακαμψία τους. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό οδηγεί σε καταστροφή του περιβάλλοντος ιστού, χαλάρωση της πρόθεσης και ανάγκη για επαναλαμβανόμενες χειρουργικές επεμβάσεις. Επιστήμονες από το Πολυτεχνείο του Περμ βρήκαν μια λύση: ανέπτυξαν ένα μοντέλο που για πρώτη φορά περιγράφει ρεαλιστικά τον τρόπο με τον οποίο το οστό αναπτύσσεται μέσα σε ένα εμφύτευμα και πώς αυτό επηρεάζει την αντοχή του. Αυτό ανέφερε στην Gazeta.Ru η υπηρεσία Τύπου του εκπαιδευτικού ιδρύματος.
Σύμφωνα με τους ειδικούς, περίπου 200 χιλιάδες άνθρωποι στη Ρωσία χρειάζονται ετησίως αντικατάσταση άρθρωσης ισχίου. Ως εκ τούτου, όχι μόνο η ίδια η επέμβαση, αλλά και η ανθεκτικότητα των εμφυτευμάτων είναι σημαντική. Το πρόβλημα είναι ότι οι μεταλλικές δομές που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι 4-5 φορές πιο δύσκαμπτες από το φυσικό οστό. Εξαιτίας αυτού, το φορτίο αναδιανέμεται άνισα και οι ιστοί γύρω από την πρόθεση σταδιακά φθείρονται.
Τα σύνθετα υλικά άνθρακα-άνθρακα θεωρούνται μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση – υλικά που συνδυάζουν υψηλή αντοχή με ελαστικότητα κοντά στο οστό. Υπό φορτίο, σχηματίζονται σε αυτά μικρορωγμές και πόροι, μέσα στους οποίους μπορεί να εκβλαστήσει ο οστίτης ιστός. Αυτό επιτρέπει στο εμφύτευμα να “συγχωνευτεί” ουσιαστικά με το σώμα.
Ωστόσο, μέχρι τώρα, οι μηχανικοί δεν ήταν σε θέση να προβλέψουν με ακρίβεια πώς αυτή η διαδικασία επηρεάζει την τελική αντοχή της δομής. Το οστό θεωρούνταν ότι θα γέμιζε ομοιόμορφα όλα τα κενά, αλλά αυτή η απλοποίηση έδινε διογκωμένες εκτιμήσεις για τη διάρκεια ζωής της προσθετικής εργασίας.
Οι ερευνητές του PNIPU έδειξαν ότι στην πραγματικότητα, η κατανομή του οστικού ιστού είναι πολύ πιο πολύπλοκη. Δεν γεμίζει όλες τις μικρορωγμές και η ανάπτυξή του περιορίζεται τόσο από τη δομή του υλικού όσο και από βιολογικούς παράγοντες. Για την ενδυνάμωση απαιτείται ένα συνδεδεμένο δίκτυο πόρων που βρίσκονται αρκετά κοντά ο ένας στον άλλο. Ωστόσο, τα κύτταρα δεν μπορούν να εισχωρήσουν επ’ άπειρον στο υλικό: καθώς απομακρύνονται από την επιφάνεια, στερούνται οξυγόνου και θρεπτικών συστατικών.
Με βάση αυτούς τους παράγοντες, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα μαθηματικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τις πραγματικές πιέσεις που ασκούνται στην άρθρωση – όταν περπατάμε, τρέχουμε ή ανεβαίνουμε σκάλες. Αντί να προσπαθεί να προβλέψει την ακριβή θέση των ρωγμών, εκτιμά την πιθανότητα ύπαρξης μιας δομής πόρων κατάλληλης για την ανάπτυξη ιστών.
Για να επικυρώσουν το μοντέλο, οι επιστήμονες μελέτησαν τόσο νέα σύνθετα δείγματα όσο και πραγματικά εμφυτεύματα που εξήχθησαν από ασθενείς, καθώς και αρχειακές αξονικές τομογραφίες.
“Η εγκυρότητα του μοντέλου καθορίζεται από το γεγονός ότι οι υπολογισμοί του λαμβάνουν υπόψη πραγματικά δεδομένα. Βασιστήκαμε σε τομογραφίες ασθενών κατά τις πρώτες 90 ημέρες μετά τη χειρουργική επέμβαση, όταν σχηματίζεται νέος οστικός ιστός”, – εξήγησε ο Egor Razumovsky, μεταπτυχιακός φοιτητής του Τμήματος “Μηχανικής των σύνθετων υλικών και δομών” του PNIIPU.
Σύμφωνα με τον ίδιο, το νέο μοντέλο είναι μέγιστα κοντά στις πραγματικές βιολογικές διεργασίες και επιτρέπει τη λήψη ακριβέστερων προβλέψεων για την αντοχή και την ανθεκτικότητα των εμφυτευμάτων.
Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για τη δημιουργία πιο αξιόπιστων προθέσεων και τη μείωση του αριθμού των επαναλαμβανόμενων επεμβάσεων. Στο μέλλον, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για εξατομικευμένους υπολογισμούς που λαμβάνουν υπόψη τα χαρακτηριστικά φόρτισης ενός συγκεκριμένου ασθενούς.
