Имплантат «от старости»: в Томске нашли способ лечить костные дефекты

Опубликовано 09.02.2018 г.

Тестирование скэффолдов, разработанных в Томском политехе, началось в Санкт-Петербурге, в НИИ детской онкологии, гематологии и трансплантологии имени Р. М. Горбачевой. Скэффолд – это металлический каркас, который помещается в костный дефект. Специалисты проверят, будут ли в нем «прорастать» живые клетки. То есть сможет ли он со временем стать частью организма.

42685_4.jpg

Бактериологические тесты, проведенные ранее в Словении, доказали антибактериальный эффект покрытий томских скэффолдов, еще на шаг приблизив ученых к созданию имплантата «от старости».

Зачем нужны скэффолды

Продолжительность жизни людей увеличивается, а у пожилого человека одно из слабых мест – это кости. Поэтому поиск новых эффективных методов и материалов для реконструкции костных дефектов – популярная в биомедицине тема. Понятно, что в этом нуждаются и молодые люди, которые в результате травм повредили кости.

Современные ученые работают уже не над «протезами», которые заместили бы поврежденные участки, а над регенерацией тканей и органов. Организм сам может восстанавливать костную ткань, но в этом ему нужно помочь: поместить на поврежденный участок такой скэффолд (каркас для новой ткани), который, во-первых, не будет отторгнут, во-вторых, простимулирует процесс костеобразования.

«Организм агрессивен по отношению к имплантату: он воспринимает его как инородное тело и пытается от него избавиться», – объясняет главную проблему Екатерина Чудинова, инженер лаборатории плазменных гибридных систем Инженерной школы ядерных технологий ТПУ. Поэтому структура и покрытие скэффолдов должны быть максимально приближены к натуральной костной ткани – чтобы сойти «за своего».

«У наших скэффолдов пористая, сетчатая структура, благодаря этому в материал могут прорастать живые клетки, чего невозможно добиться, используя монолитные структуры. Со временем клетки «обволокут» весь каркас, и он станет частью организма. Как раз сейчас специалисты НИИ детской онкологии, гематологии и трансплантологии имени Горбачевой в Санкт-Петербурге проводят исследование, как клетки будут расти при помещении на наш образец», – рассказывает Чудинова.

Что там внутри

Скэффолды, с которыми работают инженеры лаборатории, делаются из сплава титана, алюминия и ванадия. Благодаря своей прочности, легкости, биосовместимости этот сплав широко применяется в биомедицине для замены дисфункциональных твердых тканей. Каркасы печатаются политехниками на специальной 3D-машине в Университете Центральной Швеции в Эстерсунде, с использованием одного из самых совершенных методов трехмерной печати – электронно-лучевого плавления.

«Наносится слой порошка титанового сплава, разравнивается специальными граблями, затем проходит электронный пучок, который проплавляет порошок. И так слой за слоем воспроизводится заданная модель. В том и преимущество аддитивных технологий – можно напечатать все, что душа пожелает, была бы модель!» – объясняет Екатерина Чудинова.

Металлические имплантаты, изготовленные таким образом, могут в деталях повторить сложную микроструктуру костей.

Чудинова также обращает внимание на градиентную структуру скэффолдов – по краям ее создают более плотной, чем внутри, потому что основное давление приходится на периферийные части. А полость внутри нужна, чтобы поместить какое-либо вещество, которое будет способствовать дальнейшему росту ткани.

Что нового придумали политехники

Коллеги-шведы ставят имплантаты в том виде, в каком они сейчас есть, – просто металлические. Томские ученые лаборатории плазменных гибридных систем пока занимаются научными исследованиями – ищут варианты модификации поверхности скэффолдов. Екатерина объясняет:

«Титан относится к группе биоинертных материалов, и для улучшения его биосовместимости лучше наносить покрытие. Мы предложили напылять на поверхность скэффолдов кальций-фосфатные покрытия и осаждать наночастицы серебра. Кальций-фосфаты являются основной минеральной составляющей кости (до 90% в составе), они относятся к группе естественных метаболитов, то есть стимулируют процессы костеобразования».

Серебро же известно своим антибактериальным эффектом.

«В 2017 году я проходила стажировку в Институте Йозефа Стефана, где занималась микробиологией. В частности, проводила антибактериальные тесты – как будут вести себя покрытия, если на них попадут бактерии. Тесты подтвердили: использование наночастиц серебра уменьшает риски заражения инфекцией во время операции», – говорит Чудинова.

Параллельно томские исследователи пытаются улучшить физико-механические свойства скэффолдов. При установке имплантата существует проблема – на границе с костью возникает сильное напряжение, и при сильных механических нагрузках кость начинает ломаться.

«Нужно максимально приблизить модуль упругости имплантата к модулю упругости кости. Это достаточно сложно – величины сильно отличаются. Сейчас мы пытаемся решить эту проблему применением других сплавов, в частности, низкомодульных сплавов с цирконием и ниобием. С ними мало кто работает – они достаточно дорогие и их не так просто достать. Но и свойства у них потрясающие!» – с вдохновением рассказывает ученый.

Как это оценивают в мире

За этими экспериментами пристально следят коллеги со всего мира. Последняя статья об изготовлении двух- и трехслойных сеток-скэффолдов, опубликованная в журнале Materials and Design (IF 4,364; Q1) сотрудниками Инженерной школы ядерных технологий (Марией Сурменевой, Романом Сурменевым, Екатериной Чудиновой, Михаилом Ткачевым и Светланой Городжой), стала самой медийной из всех научных публикаций ученых ТПУ в 2017 году.

У нее оказались самые высокие альтметрические показатели, то есть результаты труда политехников чаще всего упоминалась и использовалась в интернете и традиционных СМИ. Любое достижение в области 3D-печати тут же становится заметным в мире…

Источник: РИА Томск