Skip to main content

Multiscale computational modelling for natural hip biomechanics and tribology

Article Category

Article available in the folowing languages:

Symulacja dynamicznego obciążenia stawów na potrzeby nowoczesnego leczenia choroby zwyrodnieniowej stawów

10-15 % osób powyżej 60. r.ż. dotkniętych jest chorobą zwyrodnieniową stawów, dlatego, zważywszy na proces starzenia się populacji, coraz pilniejsza staje się potrzeba opracowania nowej generacji leków. Projekt MSCHIPBIO wykorzystał symulacje komputerowe, aby precyzyjnie określić funkcjonalny profil biomechaniczny chrząstki stawu biodrowego, pomagając tym samym poprawiać skuteczność leczenia.

Zdrowie

Choroba zwyrodnieniowa stawów (ang. osteorathritis, OA) objawia się u pacjentów bolesnością i sztywnością stawów. To wyczerpujące schorzenie ograniczające zdolność poruszania się i wykonywania nawet najprostszych codziennych czynności. Dostępne obecnie terapie ograniczają się do łagodzenia bólu przy pomocy leków sterydowych lub zastrzyków z kwasu hialuronowego czy ćwiczeń siły mięśniowej, niosąc pacjentom krótkoterminową ulgę. Przy ostrej postaci OA leczenie można przeprowadzić za pomocą transplantacji komórkowej lub tkankowej (jednak metody te wykazują ograniczoną skuteczność) albo rekonstrukcji stawu. Choć rekonstrukcja stawu jest zabiegiem zasadniczo skutecznym, problemem nadal pozostają przedwczesne uszkodzenia na skutek zużywania i luzowania implantu, wymagające poprawek chirurgicznych. Dzięki dofinansowaniu UE w projekcie MSCHIPBIO udało się połączyć zaawansowane symulacje komputerowe wykorzystywane w celu łączenia szczegółowych prognoz obciążenia stawu biodrowego w skali całego ciała, z przeprowadzanymi w skali stawu symulacjami reakcji chrząstki na obciążenie podczas różnych czynności dnia codziennego. Te dynamiczne profile obciążenia opracowane na Politechnice Federalnej w Zurychu pomogą w stworzeniu syntetycznych implantów nowej generacji, które będą lepiej naśladować naturalne funkcje stawu, a nawet działać lepiej.

Tworzenie profili biomechanicznych

Dwie z najbardziej obiecujących metod łagodzenia ostrej postaci OA to leczenie ograniczające interwencję w strukturę tkanki oraz leczenie regeneracyjne. W przypadku leczenia ograniczającego interwencję w strukturę tkanki kształt stawu zostaje chirurgicznie zmieniony, aby przywrócić jego naturalny wygląd i funkcje, lub na uszkodzone obszary dokonuje się transplantacji niewielkiego wycinka tkanki (np. chrzęstnej) pobranego z miejsca, które w organizmie nie jest narażone na obciążenia. Leczenie regeneracyjne polega na transplantacji materiałów o potencjalnie wyższej aktywności biologicznej niż własna chrząstka pacjenta (która podlega degradacji związanej z wiekiem). Obiecujący potencjał wykazują miękkie biomateriały naśladujące naturalną tkankę chrzęstną, wzbogacone biologicznymi czynnikami wzrostu lub komórkami macierzystymi dawcy, które stymulują wzrost nowej tkanki chrzęstnej. Mimo to wyzwaniem pozostaje znalezienie materiału na tyle odpornego, by wytrzymał obciążenia w okresie przejściowym, kiedy nowa tkanka narasta w miejscu uszkodzenia. „Jedną z możliwości jest wykorzystanie modeli MSCHIPBIO do zbadania potencjalnego efektu leczenia ograniczającego ingerencję w strukturę tkanki, abyśmy mogli zoptymalizować etap zmiany pozycji lub kształtu w taki sposób, by przywrócić obciążenia stawu do naturalnego poziomu”, mówi dr Xijin Hua, wiodący badacz projektu. „Modele mogą również dostarczyć wskazówek odnośnie stworzenia protez stawowych zdolnych do naśladowania zachowania naturalnych stawów, które są w stanie same wytwarzać substancję poślizgową wydłużającą ich żywotność”. Jeden z nieoczekiwanych wyników symulacji dotyczył występowania funkcji samouszczelniania w naturalnym stawie biodrowym, podczas którego wydłużone działanie obciążeń prowadziło do zmniejszenia naprężeń w chrząstce na obrzeżach stawu, potencjalnie obniżając tym samym ryzyko uszkodzenia tkanki.

Modelowanie bardzo pożądane

Modele w skali całego ciała są obecnie dostępne w repozytorium systemu AnyBody Modelling, dostarczającego ram symulacyjnych wykorzystanych do ich stworzenia, a mogą z nich korzystać wszyscy użytkownicy posiadający licencję na to oprogramowanie. Projekt modelu w skali stawu stworzony przy pomocy nieodpłatnego, ogólnodostępnego oprogramowania do tworzenia symulacji FEBio zostanie szczegółowo opisany w nadchodzącej publikacji, aby inni badacze w dziedzinie biomedycyny mogli go odtwarzać. Producenci implantów ortopedycznych zainteresowani są wykorzystaniem takich modeli w celu zastąpienia niektórych laboratoryjnych testów przedklinicznych, co pozwoliłoby na szybsze wytwarzanie bardziej niezawodnych implantów. Modele mogą być również w przyszłości włączone do pakietów oprogramowania do planowania zabiegów chirurgicznych. „Łącznie wszystkie te możliwości mogą wpłynąć na przyszłe metody leczenia OA, dzięki czemu mógłby się poprawić standard opieki zdrowotnej przy jednoczesnej redukcji kosztów”, mówi prof. Stephen Ferguson, który nadzorował badania. Dr Hua planuje dalszą integrację modeli w różnych skalach na potrzeby badania obciążeń ludzkiego stawu biodrowego w bardziej zróżnicowanych warunkach, a także ocenę funkcjonowania protez stawowych lub terapii polegających na transplantacji chrząstki. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.

Słowa kluczowe

MSCHIPBIO, biodro, staw, proteza, choroba zwyrodnieniowa stawów, rekonstrukcja stawu, biomechanika, tkanka, regeneracyjne, symulacja, implant

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania