Как настоящие: зачем имплантатам маскироваться под живые ткани

МОСКВА, 4 апр — РИА Новости. Человеческий организм воспринимает любое инородное тело как враждебное и отторгает его. Это свойство лежит в основе иммунитета и защищает нас от многих болезней. Но для восстановительной медицины иммунный ответ организма представляет серьезную проблему, так как часто приводит к отторжению имплантатов. Ученые Инженерной школы ядерных технологий (ИЯТШ) Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) предложили ряд решений для повышения биосовместимости в онкологии, кардиологии и ортопедии-трамватологии. Особая поверхность Однофазные материалы, из которых сегодня изготавливается большинство имплантатов, не обеспечивают воспроизведение всех необходимых функций заменяемых или восстанавливаемых тканей или органов. Поэтому современная восстановительная медицина фокусируется на создании многофазных биоматериалов, имитирующих живые ткани. Такая имитация становится возможной благодаря применению многокомпонентных гибридных материалов, в том числе композитов с модифицированной поверхностью, которая придает им специальные свойства, к примеру, гидрофобность или гидрофильность. Ученые ТПУ более 10 лет занимаются созданием подобных материалов. Среди их разработок – уникальное оборудование для нанесения биоактивных покрытий на имплантаты, новые спицы для аппарата Илизарова, которые почти вдвое сокращают сроки восстановления костной ткани; матриксы (“биореакторы”) для выращивания органов, а также коронарный стент (специальный каркас), покрытый наночастицами, "разрушающими" атеросклеротические бляшки и предотвращающими инфаркт и инсульты. Использование гибридных материалов позволяет создавать поверхности с заданными свойствами, которые используются не только в имплантологии. Композитный наноматериал, наносимый на коронарный стент, при введении в кровеносный сосуд способен разрушать атеросклеротические бляшки, а кальций-фосфатное покрытие, нанесенное на матриксы (“биореакторы”), позволяет выращивать из клеток костную ткань и в перспективе – органы. Для создания имплантатов с улучшенной биосовместимостью ученые получают принципиально новые материалы и модифицируют существующие за счет функционализации поверхности и структуры физико-химическими, ионно-плазменными и радиационными методами. Поверхность таких имплантатов обладает антисептическими и, при необходимости, противоопухолевыми свойствами, а также улучшенной остеоинтеграцией (функциональной связью между имплантатом и костной тканью). Это помогает предотвращать отторжение имплантатов, протекание токсико-химических реакций и разрастание патогенных тканей. Отторжение имплантатов может произойти из-за нарушения их иммунологической совместимости с организмом, в этой ситуации возникает вторичное инфекционное заражение. Чтобы предотвратить эту проблему, а также избавиться от значительных финансовых потерь из-за неудачно подобранного материала исследователи ТПУ совместно с медиками разработали способ анализа иммунного ответа организма на вещества, входящие в состав имплантатов. "Исследование иммунного ответа заключается в анализе реакции на материал макрофагов (защитных клеток, которые являются агентами иммунной системы в крови). Анализ должен проводиться на этапе подбора биосовместимых материалов", – рассказал РИА Новости доцент научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Сергей Твердохлебов. Титановые кости под фосфатом кальция Покрытия на основе фосфатов кальция и других соединений делают титановые имплантаты очень похожими на настоящую кость. Это позволяет уменьшить число отторжений и ускорить процессы регенерации. По словам Твердохлебова, существующее оборудование для обработки поверхностей имплантатов не в полной мере отвечает современным требованиям. Поэтому ученые ТПУ разрабатывают установки нового поколения, позволяющие быстро наносить биоактивные покрытия методом микродугового оксидирования. Исследователи также занимаются технологиями создания биорезорбируемых имплантатов для замещения костных дефектов. Уже разработаны гибридные костные имплантаты для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области с использованием биодеградируемых полимеров и методов 3D печати. В своей основе имплантаты имеют металлическую сетку-арматуру и полностью растворяющийся в организме полимер. С их помощью врачи смогут проводить сложнейшие операции пациентам с травмами черепа, костей лица, а также онкологическим больным. В планах специалистов – наладить производство медицинских изделий для восстановления функций опорно-двигательной системы человека, в том числе, тазобедренные суставы и имплантаты для спинальной хирургии. Профилактика инфарктов и инсультов Атеросклероз — наиболее распространенное хроническое заболевание, поражающее артерии. Разрастание в артерии соединительной ткани приводит к сужению ее просвета и недостаточности кровоснабжения сердечной мышцы (миокарда). Концепцию расширения пораженных участков сосуда с помощью специального каркаса (стента) предложил один из пионеров интервенционной радиологии Чарлз Доттер, первая операция была произведена в 1986 году. Стент – это тонкая металлическая трубочка, состоящая из проволочных ячеек. Он вводится в пораженный сосуд, увеличивая его просвет. Ученые ТПУ и НИИ кардиологии Томского НИМЦ синтезировали композитный наноматериал, который предназначен для нанесения на коронарный стент и способен разрушать атеросклеротие бляшки – главную причиной инфарктов и инсультов. Сегодня в медицине широко применяются стенты с добавлением лекарств, однако лекарства могут давать побочные эффекты, сообщила доктор химических наук, сотрудник ТПУ Марина Трусова. "Каждые пять-шесть лет бляшка прогрессирует, стент надо менять. Наш стент "разобьет" бляшку, избавит пациента от новой операции", – рассказала она РИА Новости. На изобретение был получен патент США и Евразии. Прототип коронарного стента прошел проверку на токсичность во время доклинических исследований, клинические испытания должны начаться до 2020 года. Спицы для быстрой реабилитации Вместе со специалистами Центра Илизарова в Кургане ученые ТПУ разработали внутрикостные титановые и стальные имплантаты-спицы с биоактивными покрытиями, которые позволят почти в два раза сократить сроки восстановления пациентов при лечении посттравматической деформации конечностей. Биоактивное покрытие (композитный материал на основе пьезоэлектрического фторуглеродного пластика и гидроксиапатита) наносят на стальные спицы методом аэродинамического формирования или магнетронного напыления. Покрытие из кальций-фосфата наносят на титановые имплантаты методом микродугового оксидирования. "Испытания показали, что с применением новых имплантатов 4 см костной ткани восстанавливались за 35 суток, а с классическими имплантатами – за 70 суток. При этом плотность новой сформированной костной ткани была примерно в 2,5 раза выше и гораздо ближе к норме плотности здоровой кости, чем в случае с классическими имплантатами", – отметил Сергей Твердохлебов. По словам ученых, благодаря стимуляции репаративного остеогенеза эта технология позволяет гарантировать положительный результат лечения в самые короткие сроки, а Россия продолжает оставаться мировым лидером ортопедии-травматологии. Ткани из пробирки Для регенеративной медицины и выращивания человеческих тканей ученые предлагают создавать матриксы, выполняющие роль биореакторов, в пористых структурах которых закрепляются стволовые клетки, способные формировать нужный вид ткани – соединительную, костную, кожную или сердечную. “Мы изготавливаем матриксы методом электроспиннинга, формируя их из ультратонких волокон под действием электрического поля”, – рассказал РИА Новости научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем ИЯТШ ТПУ Евгений Больбасов. Для ускорения формирования костной ткани используются факторы роста. Например, тончайшее кальций-фосфатное покрытие. “Клеточка, заселившись на структуру, которая имеет кальций и фосфор в своем составе, начинает переходить в костную ткань. Если клетку просто в чашку Петри посадить, там она будет беспризорная, а здесь, в матриксе, она в хорошем “домике”, с хорошим питанием", – поясняет Твердохлебов. Исследования ученых осуществляются при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы", Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований. Разработки ТПУ уже проходят доклинические и клинические исследования. В планах ученых – создание имплантируемого устройства, считывающего показатели состояния пациента, анализирующего потребность организма в тех или иных веществах и способного адресно их доставлять.