Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie rozwijają model numeryczny, który pozwala symulować zachowanie się tkanki kostnej pod wpływem obciążeń. W przyszłości może on pomóc np. w projektowaniu endoprotez stawu biodrowego dopasowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta.
Tkankę kostną tworzą istoty zbita i gąbczasta. Pierwsza buduje przede wszystkim zewnętrzną warstwę i trzon kości długich, druga zlokalizowana jest głównie u ich nasady i charakteryzuje się strukturą beleczkową. Tkanka kostna potrafi wielokrotnie w ciągu ludzkiego życia zmieniać swoją strukturę, adaptując się do różnych obciążeń, jakim poddawane jest nasze ciało. Kończyny biegaczy długodystansowych adaptują się w wyniku treningu do ekstremalnego wysiłku, a kości osób obłożnie chorych ulegają zanikowi i wymagają rehabilitacji w trakcie powrotu do zdrowia. Następuje to na drodze zmiany gęstości kości albo reorientacji beleczek kostnych.
Pełne zrozumienie tego mechanizmu ma istotne znaczenie w implantologii, kiedy zachodzi np. konieczność uzupełnienia ubytku kości powstałego w wyniku nowotworu czy wszczepienia protezy patologicznie zmienionego stawu biodrowego.
Nasz układ kostny i mięśniowy w warunkach ziemskich podczas typowych obciążeń znajduje się w stanie równowagi. Wszczepiając implant, zaburzamy naturalny rozkład naprężeń i tkanka kostna musi zaadaptować się do nowych warunków. Jeśli zostanie on nieprawidłowo wszczepiony lub jego kształt nie jest optymalnie dobrany, pewne fragmenty tkanki kostnej mogą zostać poddane mniejszym lub większym obciążeniom niż w przypadku kości zdrowej. To z kolei może prowadzić do zaniku tkanki kostnej w rejonie implantacji. Efektem jest obluzowanie implantu, a w konsekwencji konieczność jego usunięcia – tłumaczy dr hab. inż. Sebastian Wroński z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, który specjalizuje się w inżynierii materiałowej.
W pełni anizotropowy model przebudowy tkanki kostnej
W ramach kierowanego przez siebie projektu, naukowiec rozwija numeryczny model przebudowy tkanki kostnej pod wpływem działających obciążeń. Skupia się na kości udowej, która jest najdłuższa w naszym organizmie i umożliwia utrzymywanie i poruszanie się w pionowej pozycji. Jej głowa uczestniczy w tworzeniu stawu biodrowego, gdzie wytrzymuje obciążenia generowane przez masę ciała przenoszone z miednicy. Na zewnątrz tworzy ją istota zbita, wewnątrz zaś istota gąbczasta o strukturze beleczkowej.
Model rozwijany przez prof. Wrońskiego, aby jak najdokładniej odwzorować obciążenia, uwzględnia nie tylko pozostałe kości tworzące kończynę dolną, ale również najważniejsze mięśnie. Tak przygotowany model całej kończyny wraz z układem mięśniowym umożliwia symulacje obciążeń dynamicznych związanych z różnorodnym ułożeniem kończyny, np. podczas cyklu chodu. Co więcej – jak deklaruje uczony – model opracowany na AGH posiada co najmniej dwie przewagi nad konkurencyjnymi koncepcjami. Po pierwsze, w pełni oddaje anizotropowe właściwości tkanki kostnej.
Przestrzenną sieć beleczek kostnych, które tworzą istotą gąbczastą, można obrazowo opisać jako bardzo rozbudowaną kratownicę, w której widoczne są pewne preferowane orientacje beleczek. Kiedy do takiej przestrzennej struktury przyłożymy siłę, jej zachowanie będzie zależeć od kierunku działającej siły. Wartości sprężyste takiego materiału mogą się różnić nawet kilkukrotnie w zależności od kierunku, w którym się je bada – wyjaśnia prof. Wroński.
Druga przewaga to zaimplementowanie do modelu mechanizmu, który odpowiada za zmianę w strukturze przestrzennej sieci beleczek kostnych w trakcie przebudowy tkanki kostnej.
W układzie kostnym działają dwa typy komórek. Osteoklasty resorbują kość, natomiast osteoblasty uczestniczą w budowie nowej tkanki. W stanie równowagi gęstość tej ostatniej się nie zmienia, ponieważ tyle samo komórek rozpuszcza kość, co buduje nową. Ale przecież one mogą budować w innym kierunku! Wówczas, mimo istnienie stanu równowagi, następuje reorientacja beleczek kostnych. Uwzględnienie tego efektu to jedna z największych zalet modelu – podkreśla uczony.
Badanie tomograficzne w wersji ultra
Rozwijanie tak dokładnego modelu nie byłoby możliwe, gdyby nie Laboratorium Mikro- Nanotomografii, które działa na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH od 2012 roku. Jako jedno z nielicznych w Polsce dysponuje wysokorozdzielczym tomografem, pozwalającym na wykonywanie badań trójwymiarowej struktury obiektów z rozdzielczością 300 nm. Co więcej, posiada miniaturową maszynę wytrzymałościową, dzięki czemu możliwe jest obserwowanie „na żywo”, jak mikrostruktura danego materiału reaguje na zadane obciążenia. Aparatura wykorzystywana jest na co dzień do badań np. skał i występujących w nich pęknięć, materiałów ceramicznych, kompozytów, polimerowych substytutów tkanki kostnej (skafoldów), zastawek serca i występujących w nich zwapnień, meteorytów, porostów arktycznych, zębów z różnymi rodzajami wypełnień, polichromii, spoin lutowniczych oraz połączeń klejonych. Od samego początku w centrum zainteresowania twórców LMiNT były jednak ludzkie kości.
Prowadzimy badania, dzięki którym łatwiejsze będzie projektowanie implantów. Aby stworzyć tego typu modele, musimy zweryfikować doświadczalnie, jak kość jest zbudowana oraz jak reaguje na obciążenia. W naszym laboratorium próbujemy znaleźć związek między strukturą i budową wewnętrzną kości, a jej reakcją na obciążenia. Następnie tę wiedzę wykorzystujemy do budowania modeli komputerowych – wyjaśniają naukowcy.
Implanty „szyte na miarę”
W przyszłości modele, jak ten rozwijany przez prof. Wrońskiego, mogą sprawić, że implanty będą przygotowane z uwzględnieniem uwarunkowań anatomicznych danego pacjenta. Rosnąca popularność druku 3D, a co z tym idzie jego spadająca cena sprawia, że implanty zaprojektowane w oparciu o rezultaty symulacji komputerowych mogłyby powstawać bezpośrednio w szpitalu. Żeby tak się stało, niezbędne jest jednak pozyskanie odpowiednich danych do modeli matematycznych. Tutaj pojawia się problem, bo tomografy pracujące obecnie w warunkach klinicznych charakteryzują daleko niższe parametry w porównaniu ze sprzętem, jakim dysponuje LMiNT.
Kiedy wykonujemy tomografię komputerową w szpitalu, uzyskane tam rozdzielczości nie są wystarczające, aby precyzyjnie opisać strukturę wewnętrzną kości. Wewnątrz widoczne są tylko obszary, które mają większą bądź mniejszą gęstość, natomiast nie widać wystarczająco dokładnie przestrzennej struktury beleczkowej – opisuje prof. Wroński.
Naukowcy z AGH chcą jednak wybiegać w przyszłość, dopracowując rozwiązania możliwe do wdrożenia, kiedy precyzyjna tomografia przestanie być jedynie domeną specjalistycznych laboratoriów akademickich.
Model już działa, został przetestowany, a koncepcja opublikowana. Kolejny etap to aplikacja modelu do konkretnego przypadku. Myślimy o tym, aby nawiązać współpracę z grupą lekarzy chcących prowadzić badania naukowe w tym zakresie. Czy będą one dotyczyły implantu stawu biodrowego, czy kości uszkodzonej w wyniku nowotworu, zależy od tego, z kim nawiążemy współpracę – zapowiada prof. Wroński.
Projekt uzyskał finansowanie w ramach programu „SONATA BIS 7” Narodowego Centrum Nauki.
źródło: AGH