Будущее протезирования — остеоинтеграция

Что такое остеоинтегрируемые бионические протезы? В чем суть их работы и строения?

— Термин «остеоинтеграция» означает процесс структурного и функционального объединения протеза с костной тканью, на которую осуществляется нагрузка.

Такие протезы представляют собой искусственные части тела, которые обеспечивают остеоинтеграцию с естественными костями и тканями человека. Это достигается за счет использования титановых или других биосовместимых материалов в сочетании с биоактивными компонентами, которые обеспечивают остеоинтеграцию — рост костей вокруг протеза, создавая прочное и устойчивое соединение.

Чем они лучше для пациентов?

— Такие протезы позволяют функционально заменить утраченные верхние конечности, а также интегрируются в кость пациента подобно естественным конечностям.

В результате пациент получает лучшее управление протезом, поскольку остеоинтеграция обеспечивает прочное и стабильное соединение между искусственной конечностью и костной тканью.

Также протезы распределяют нагрузку более равномерно, что может снизить давление на ткани и кости вокруг места ампутации. Это может уменьшить дискомфорт и риск возникновения проблемных областей, например, таких как язвы.

Но выигрыш по биомеханике влечет за собой ограничения с точки зрения легкости замены или модернизации такого протеза. Также необходимо знать, что удачная остеоинтеграция обеспечивается только в случае подбора материалов, соответствующих по своим характеристикам кости.

Какие датчики бывают на таких протезах и за что отвечают?

— Протезы могут содержать в себе несколько видов датчиков. Миоэлектрические датчики измеряют электрическую активность мышц пациента. Они могут быть размещены на поверхности кожи или внутри протеза и служат для перехвата миоэлектрических сигналов, которые генерируются сокращением мышц. 

В результате пациент может управлять протезом с помощью мышечных сигналов. Например, сотрудники Института биомедицинской инженерии Университета МИСИС занимаются разработкой материалов для нового поколения растяжимых миоэлектрических датчиков.

Датчики давления и нагрузки располагаются внутри или на поверхности протеза. Они могут измерять давление и нагрузку, которую протез испытывает при контакте с поверхностью. Это позволяет осуществлять более точное моделирование движений.

Инерционные датчики включают акселерометры и гироскопы, которые измеряют ускорение и угловую скорость протеза. Акселерометры измеряют ускорение, которому подвергается протез. Гироскопы измеряют угловую скорость, то есть изменение угла или направления вращения протеза.

Датчики температуры используются для мониторинга температуры вокруг протеза и на коже пациента. Это может быть полезно для предотвращения перегрева и обеспечения комфортного использования протеза.

Датчики тактильной обратной связи интегрируются в поверхность протеза и могут реагировать на физическое воздействие на протез, предоставляя тактильную обратную связь.

Что такое биоматериаловедение?

— Биоматериаловедение — междисциплинарная область науки, связанная с решением теоретических и практических вопросов в области применения искусственно синтезированных или природных материалов в медицинских изделиях, в том числе «запасных частей человека». Биоматериалы взаимодействуют с биологическими системами и могут быть использованы в том числе для создания медицинских имплантатов и протезов.

Какую роль оно играет в создании протезов?

— Биоматериаловедение занимается изучением критериев, которым должны соответствовать протезы. Речь идет о соответствии по микроструктуре и механическим характеристикам свойствам нативной кости, физико-химической и биологической совместимости с тканями организма для минимизации риска отторжения и возникновения заболеваний, а также о биоактивности для ускорения приживаемости.

Благодаря развитию этой научной области происходит разработка таких новых технологий, как 3D-печать биоматериалов и биомедицинская инженерия. Все это позволяет создавать более сложные и функциональные протезы.

Какой материал для протезов можно назвать идеальным и почему?

— Идеального материала нет. Мы пытаемся приблизиться к свойствам натуральной кости по биомеханике, микроструктуре и биоактивности. Поэтому наиболее важным трендом является разработка биомиметических материалов, имитирующих природные материалы, ткани организма. 

До сих пор одним из наиболее используемых материалов в области остеоинтегрируемого бионического протезирования является титан и сплавы на его основе благодаря их высокой прочности. Однако, создавая в титановых протезах биомиметическую структуру, имитирующую кость по размеру пор, объемной пористости, биомеханике, можно существенно улучшать остеоинтеграцию таких протезов.

Также используются кобальт-хромовые сплавы, нержавеющая сталь, высокомодульные полимеры, керамика и углеродные материалы. Все эти группы материалов имеют свои плюсы и минусы. Поэтому последним трендом является формирование гибридных материалов на их основе.

Насколько развита эта область в целом? Существуют ли такие протезы и насколько сложно их получить?

— Сейчас эта область находится в стадии активного развития. За последние десятилетия произошел значительный технологический и медицинский прогресс в создании более продвинутых и функциональных бионических протезов.

Объем рынка остеоинтегрируемых протезов оценивался в 5 млрд долларов в 2018 году, по данным консалтинговой компании Global Market Insights. К 2025 году ожидается, что рынок достигнет 8,5 млрд долларов.

По оценкам Data Bridge Market Research, к 2030 году отрасль вырастет до 13,65 млрд долларов. Общий тренд указывает на постоянное развитие и усовершенствование технологий в этой области. 

Ввиду высокой стоимости доступность таких протезов для общей массы населения низкая. Поэтому актуально привлечение в данную отрасль государственного финансирования.