«Запчасти» для тела нового поколения

+1 представляет обзор отечественных разработок по созданию искусственных костей. Любопытно, что в авангарде исследований на эту тему оказался Томск.

Контроль за сращиванием костей. Фото: mc-chtpz.ru

Раньше ситуации, при которых разрушалась кость либо ее участок, часто приводили к ампутации конечности, или как минимум к постоянным страданиям вкупе с ограничениями в образе жизни. Это, в частности, болезни, вызывающие дистрофию либо новообразования костной ткани: миеломная болезнь, остеопороз, саркома, остеомиелит и другие. В наши дни пораженные кости и суставы чаще всего заменяют биоинертными металлами и металлокерамикой. Но внимание врачей приковано к полимерным биоразлагаемым протезам, которые считаются наиболее совместимыми с организмом, служат опорой для формирования новой ткани и не требуют извлечения. Создавать их помогают нанотехнологии и трехмерная печать.

Высокомолекулярный полиэтилен

Главное требование медиков к материалу для искусственного сустава таковы: он должен быть нетоксичным и не отторгаться организмом пациента. Также важны следующие факторы: длительность и/или сложность реабилитации, продолжительность и надежность интеграции в костную ткань.

Полимерные суставы способны служить до 15 лет

Подходящими качествами обладает высокомолекулярный полиэтилен, имеющий очень длинные полимерные цепи. Но до сих пор его уязвимым местом была низкая износостойкость. Ученые из Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» укрепили полиэтилен углеродными нанотрубками, таким образом увеличив этот показатель вдвое: они заявляют, что полимерный сустав способен прослужить до 15 лет.

Структура кости из вновь созданного материала достоверно имитирует кость биологическую: ее внешний слой сплошной, внутренний — пористый. Достичь этого удалось благодаря воздействию сверхкритической жидкости (это состояние вещества, промежуточное между жидкостью и газом). Испаряясь при определенных условиях, она оставляет в полиэтилене поры, доля которых в искусственной кости составляет 80%. Руководитель исследования Федор Сенатов пояснил, что они нужны, чтобы клетки реципиента могли колонизировать внутренний слой кости и ускорить срастание биологической и искусственной тканей. По его словам, материал удобен для хирургов, так как, во-первых, хорошо режется, во-вторых, обладает «памятью формы»: сжимается и принимает первоначальное состояние, когда это необходимо.

Кроме того, высокомолекулярный полиэтилен сужается от холода и расширяется от тепла, имитируя сокращение и растяжение мускулов. Что дает возможность создать их искусственный аналог как для людей, так и для роботов, чтобы те могли стать более гибкими. Теперь перед учеными стоит задача разработать способ управления мышцами и минимизировать зависимость их работы от внешней температуры. До сих пор большинство сообщений о создании способных заменить мышечную тканей поступало из американских научно-исследовательских центров.

В 2016-2017 годах вживление искусственных костей из созданного учеными МИСиС высокомолекулярного полиэтилена, было успешно протестировано на лабораторных животных (мышах, крысах и собаке) исследователями из Российского онкологического научного центра имени Н.Н. Блохина. Однако подготовка к доклиническим испытаниям способна занять 5-7 лет.

Разработки томских ученых

В 2015 году химики Томского госуниверситета Ольга Гордеева и Владимир Ботвин совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения изготовили биоразлагаемые полимеры на основе полимолочной кислоты (СС2). Материал оказался достаточно пластичным, чтобы сделать из него любой нужный врачам фрагмент. Впоследствии полимерные импланты будут разлагаться в организме, постепенно сменяясь костной тканью пациента. В течение 3-6 месяцев имплант распадается на углекислый газ и воду, не выделяя токсинов. Это значит, что повторной операции не потребуется.

Полимерные импланты со временем распадаются в организме на углекислый газ и воду, не выделяя токсинов, и со временем заменяются костной тканью организма «собственного производства»

Биоразлагаемый полимер оказался подходящим, чтобы «печатать» кости на 3D-принтере (в США 3D-печать позволила заменить пациенту значительный участок грудной клетки). Как сообщила Ольга Гордеева, работающая в сфере челюстно-лицевой хирургии, биополимер уже тестируется в клиниках Сибири и других регионов России; совместно с СибГМУ и другими медицинскими организациями разрабатываются самые востребованные модели имплантов.

По словам ученых, биополимер также можно использовать как носитель для медикаментов, требующих длительного приема: в процессе распада он будет обеспечивать постепенное поступление препарата. А легкая разлагаемость делает его альтернативой пластику в производстве одноразовой посуды, которая сможет самоуничтожаться вскоре после выбрасывания.

Еще один молодой исследователь — Никита Торопков из Томского политехнического университета, — работает над аналогичным проектом по созданию композитных материалов из кальций-фосфатного соединения (гидроксиапатита). Благодаря биосовместимости, медики применяют гидроксиапатит и сейчас, но лишь как покрытие на титановые имплантаты, чтобы они лучше приживались (до недавних пор не было технологий, способных изготовить из него полноценный протез). Зато 3D-печать позволит использовать его как самостоятельный материал. Уже спустя полгода проектом Торопкова заинтересовалась госкорпорация РОСНАНО, после чего магистрант получил за свое изобретение звание лучшего молодого наноинженера страны.  В 2017 году он представил результаты своих исследований на Всероссийском нанотехнологическом инженерном конкурсе в РОСНАНО, войдя в число победителей.

Автор: Людмила Брус