С помощью компьютерных моделей, созданных в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, показана эффективность ударно-волновой терапии для ускорения процессов приживления в человеческом организме стоматологических имплантатов, имплантатов для шейного и поясничного отдела позвоночника, тазобедренных и коленных суставов, а также для лечения онкологических заболеваний. Учёные определили диапазоны, при которых такое воздействие будет наиболее эффективным.

«Исследования, позволяющие моделировать методами частиц процессы деформации и разрушения в различных средах, ведутся в нашем институте еще с 1994 года по инициативе члена-корреспондента РАН Сергея Григорьевича Псахье. Серьёзный импульс им придало создание моделей так называемых флюидонасыщенных материалов — твёрдых пород, насыщенных жидкостью — для геологических приложений. Как оказалось, они имеют много общего с тканями человеческого организма. Так и появилась идея применить эти методы в биомедицине, в том числе для ударно-волновой терапии — метода воздействия на различные ткани организма низкочастотными акустическими импульсами», — рассказывает профессор Алексей Смолин, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного конструирования материалов.

Как подчеркивает научный сотрудник лаборатории Галина Ерёмина, одна из ключевых задач, стоящих перед медиками, — сократить сроки приживаемости имплантатов. В среднем, этот процесс занимает от шести месяцев до года, а увеличивают его продолжительность такие факторы, как пожилой возраст пациента и остеопороз. Конечно же, если речь идет о лечении онкозаболеваний, то временной фактор оказывается решающим! «Уменьшить эти сроки помогает дополнительная нагрузка в виде необходимого уровня напряжения и деформации, а также скорости переноса биологической жидкости в костном матриксе: ударно-волновое воздействие ускоряет все биохимические процессы, а также рост костных клеток», — пояснила Галина Максимовна.

Созданные учеными трехмерные модели позволяют анализировать процессы остеоинтеграции имплантатов или прекращения роста злокачественных тканей при определённом физическом воздействии на трёх масштабных уровнях. На макроуровне, видимом человеческому глазу, можно наблюдать условия для трансформации биологических тканей в определенном сегменте организма. Дальше модель отправляет исследователя в необычное путешествие на мезоуровень и знакомит со сложными процессами, происходящими непосредственно в биологических тканях. Заглянуть можно даже на клеточный микроуровень, увидев, как именно ударно-волновое воздействие влияет на остеоцит — основную клетку костной ткани, способную претерпевать различные изменения.

Томские физики не только показали эффективность ударно-волновой терапии, но и предложили её оптимальные параметры. Дело в том, что больше не значит лучше: здесь нужна точность и аккуратность, в противном случае напряжение и деформация приведут к разрушению! При дентальной имплантации эффективен диапазон малоинтенсивного ударно-волнового нагружения с плотностью потока энергии от 0,05 до 0,15 миллиджоуля на миллиметр квадратный (мДж/мм²), для остеоинтеграции имплантата позвоночника или бедренной кости необходимо среднеинтенсивное нагружение (диапазон задается в зависимости от толщины и свойств костной ткани), а для лечения онкологии уже нужна «тяжёлая артиллерия» — высокочастотное нагружение от 0,25 мДж/мм². Все разработанные численные модели подтверждены на основе сравнения решения тестовых задач с открытыми экспериментальными данными.

Как отметил А.Ю. Смолин, научный коллектив планирует проведение экспериментальных исследований в коллаборации с научными медицинскими организациями, когда уточнённые на основе данных МРТ конкретного пациента компьютерные модели позволят точно прогнозировать, как будет идти процесс его восстановления.

Исследования поддержаны грантами РНФ: проект № 23-29-00212 посвящён условиям остеоинтеграции зубного имплантата при ударно-волновом терапевтическом воздействии, а проект № 23-79-01107 — условиям подавления первичных очагов злокачественной опухоли и регенерации костных тканей в позвоночнике. Последние результаты исследований опубликованы в высокорейтинговых журналах первого квартиля.

Источник: Томский научный центр СО РАН.