Этот материал продолжает цикл о лабораториях, исследованиях, разработках и проектах региональных вузов из списка «Приоритет 2030». Первый материал о проекте саратовских ученых по управлению функциями сна можно прочитать здесь.
Создание искусственных частей тела — давняя мечта человечества. Сегодня она превращается в реальность. Стараниями ученых имплантаты постоянно совершенствуются. Инженеры наделяют изделия разными свойствами: помогают им «обманывать» иммунитет, лучше приживаться в организме человека, дольше служить. А иногда заставляют «растворяться» без остатка после выполненной работы. В Томском политехническом университете (ТПУ) в этом направлении работают несколько научных коллективов. Разработки ученых способны избавить людей от боли и вернуть к полноценной жизни.
Инженерные разработки стали неотъемлемой частью современной медицины. Благодаря им врачи получили в том числе возможность успешно вживлять искусственные части тела. Инновационные имплантаты — проекты в области инженерии здоровья, которые ученые ТПУ реализуют при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».
В имплантологии, как и в любой сфере жизни, есть своя так называемая «классика жанра». Разрушенную кость или ее часть способен заменить металлический имплантат. Для их производства чаще всего используется сплав титана, ванадия или циркония. Все бы хорошо, если бы не одно значительное «но»: всегда есть опасность, что иммунитет начнет бунтовать против имплантата и организм отторгнет инородное тело. Задача ученых — снизить этот риск.
Коллектив Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ под руководством Сергея Твердохлебова нашел способ «обмануть» организм. Ученые разработали несколько технологий и оборудование для формирования кальций-фосфатных покрытий на поверхности имплантата. Расчет следующий: кальций и фосфор составляют основу костной ткани — если имплантат покрыт слоем из этих элементов, организм принимает его за «своего». Томские ученые смогли улучшить биосовместимость и коронарных стентов, на этот раз нанеся многослойное покрытие из оксинитридов титана и биорезорбируемого композитного слоя с наночастицами, технологию модифицирования которых предложили химики ТПУ.
Покрытия как способ маскировки
Имплантаты с биоактивными покрытиями широко применяются в регенеративной медицине. Одна из таких разработок томских политехников — стальные спицы, которые вживляются внутрь трубчатой кости и используются в качестве «проводника», помогающего сформироваться новой костной ткани. Команда ученых во главе с кандидатом технических наук Евгением Больбасовым разработала технологию для изготовления таких имплантатов и нанесения на них композитных покрытий на основе фторуглеродных пластиков с пьезоэлектрическими свойствами. Последние приближены по своему составу и физическим характеристикам к реальной костной ткани, что позволяет использовать их для лечения детских ортопедических заболеваний, вызванных наследственными патологиями.
Евгений Больбасов, научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ:
«Специфика данного покрытия еще и в том, что оно заставляет стволовые клетки костного мозга, которые способны делиться на различные типы клеток, «переквалифицироваться» в костный материал. В результате новая костная ткань начинает усиленно наращиваться вокруг имплантата. После успешного завершения процесса регенерации спица удаляется».
Имплантаты с различными биоактивными покрытиями внедрены в медицинскую практику. Сотрудники знаменитого центра ортопедии имени академика Илизарова (Курган), который специализируется на исправлении врожденных деформаций тела, пролечили более 300 пациентов. Инновационные медицинские изделия, разработанные томскими учеными, помогают сократить сроки удлинения конечностей почти вдвое. Другой успешный опыт применения разработки — ветеринария, а конкретнее — восстановление конечностей у животных.
Депо для молекул
Еще одно направление работы в области модификации покрытий — синтезирование на поверхности титановых имплантатов нанотрубки из диоксида титана. Ее ведут ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха совместно с коллегами из Германии и США. На нанотрубки наносятся кальций-фосфатные покрытия, идентичные по своему химическому составу человеческой кости.
Роман Сурменев, директор Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ:
«Нанотрубки за счет высоких значений удельной площади поверхности выступают своего рода «депо» для загрузки различных биоактивных веществ и молекул, что позволяет существенно увеличить биоактивность поверхности имплантата. Таким образом, они улучшают приживаемость костных имплантатов. Кроме того, загруженные в нанотрубки лекарственные вещества будут поступать в организм пациента, помогая ему бороться с теми или иными заболеваниями».
Кость, керамика, дружба
Нанесение биоактивных покрытий — не единственный вариант «подружить» организм с имплантатом. Есть изделия, которые обладают лучшей биосовместимостью по сравнению со своими аналогами из металлов и сплавов на основе титана и никеля. Например, имплантаты из биосовместимой керамики. Они не нуждаются в буферных слоях для «приживаемости» в организме и имеют минимальные побочные эффекты. Керамические имплантаты широко применяются в ортопедии и стоматологии. Томские политехники занимаются разработкой новых технологий имплантатов индивидуальной формы на основе циркониевой нанокерамики, а также совершенствованием уже существующих технологий по заказу индустриального партнера — высокотехнологичной компании «МОЙЕ Керамик-Имплантате», резидента Томской Особой экономической зоны.
Олег Хасанов, директор Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ:
«Конкурентные преимущества наших технологий керамических имплантатов в том, что изготовление изделий индивидуальной формы становится более экономичным. В 1990–2000-е годы нашей научной группой были разработаны, запатентованы и внедрены в производство технологии формования керамических нанопорошков в функциональные изделия заданной формы с использованием методов ультразвукового и коллекторного прессования. Сегодня мы применяем их для создания медицинских керамических имплантатов разного назначения».
В числе актуальных разработок — имплантаты для таранного сустава в голеностопе, стоматологические компоненты. Результаты требуются для выполнения заказов как российских, так и зарубежных медицинских центров и фирм.
Строительные леса в помощь
Не всегда для «ремонта» кости нужен имплантат. В отдельных случаях, когда дело касается незначительных нагрузок на кость, можно использовать скаффолд (от англ. — «строительные леса»). Материалом для них служат полимеры и композиты — вещества, состоящие из двух и более компонентов с различными физическими и химическими свойствами. Их сочетание позволяет получать материалы с улучшенными характеристиками, которые не свойственны для каждого из исходных компонентов. Скаффолды получают путем электроформования или другими способами. Они имитируют структуру внеклеточного матрикса костных тканей, содержат в составе заживляющие препараты и полностью исчезают, когда кость срастается.
«Разработка различных видов скаффолдов — мировая практика. Наши ученые применили полиоксиалканоаты — биодеградируемые полимеры, которые производятся бактериями. Материал абсолютно нетоксичен. После образования новых костных тканей и растворения скаффолда, продукты его распада выводятся из организма без каких-либо побочных эффектов», — подчеркивает профессор Роман Сурменев.
Ключевые тренды
Имплантология не стоит на месте, превращая в реальность то, что еще относительно недавно казалось явлением будущего. Здесь есть свои тренды.
Новые материалы
Ставшие традиционными для имплантологии металлы и их сплавы постепенно заменяются керамикой, полимерами и композитами.
Пьезоматериалы — еще одно перспективное направление. Их уникальное свойство — способность производить небольшой электрический заряд в результате механической деформации или нагрузки. Оно позволяет ускорять заживление при переломах кости. Суть процесса заключается в том, что электрический заряд влияет на костные клетки, в первую очередь на остеобласты и остеокласты, которые участвуют в заживлении и при этом отталкивают бактерии, то есть могут обеспечивать антибактериальные свойства поверхности. Генерируется этот заряд под влиянием нагрузки на пьезоэлемент, внедренный в костный дефект. Полиоксиалканоаты — класс биодеградируемых полимеров, с которыми работают ученые ТПУ, являются пьезоэлектриками. Но и это не предел для современной науки.
Сергей Твердохлебов, доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга:
«Сегодня наметилась тенденция перехода в область чувствительных автономных smart-материалов. Они способны самостоятельно корректировать свои свойства и оказывать терапевтический эффект в ответ на изменения в окружающей среде или биологических процессах. Для этого в пористую структуру имплантата внедряется датчик, который контролирует состояние организма с помощью внутреннего или внешнего интерфейса. Прогнозируя возможные последствия, он дает команду, и из имплантата выделяются необходимые для стабилизации ситуации препараты или лекарственные вещества. В частности, наша научная группа сейчас занимается разработкой многофункционального гибридного чипа в рамках «Приоритета 2030».
Применение аддитивных технологий
Они позволяют получать изделие любой формы, геометрии и размера по компьютерной модели. Аддитивные технологии — это объемная или трехмерная печать. 3D-принтер слой за слоем создает объемный предмет, реальную копию компьютерной модели. Материалы при этом могут использоваться самые разные, не исключение — традиционные для создания костных имплантатов титан, его сплавы с алюминием, ванадием, ниобием, цирконием, а также полимеры и композиты.
Тотальная цифровизация и персонализация
Инновационные материалы и технологии позволяют производить имплантаты непосредственно под каждого конкретного пациента с учетом его анатомии, генетики, возраста, гендерных особенностей. Также явно наметилась тенденция к сокращению времени от идеи до внедрения материалов в медицину. Это активно внедряющиеся технологии, которые в обозримом будущем войдут в привычную практику.
«Имплантология и наука вообще в последние годы развиваются очень стремительно. Думаю, что лет через 20–30 мы сможем делать почти стопроцентную искусственную замену сосудов, мочеточечников, желчных протоков. По характеристикам биосовместимости они не будут отличаться от природных, — рассуждает Евгений Больбасов. — Есть вероятность, что проблема донорских тканей будет полностью решена. Со временем мы научимся заменять часть пораженной почки, создавать эквиваленты большим функциональным тканям. На Западе, скорее всего, это произойдет быстрее. Но только потому что они стартовали раньше. Однако и в России не исключен прорыв: в нашей стране по-настоящему много креативно мыслящих ученых».
Мехман Юсубов, профессор ТПУ, руководитель стратегической ставки «Инженерия здоровья»:
«Наша главная цель — разработка, создание, тестирование и трансляция новых персонализированных имплантатов с заданными свойствами, а также технологий и методологий их производства и применения в клинической практике. Поддержка программы «Приоритет 2030» позволит нам пойти дальше. В наших планах: разработка мультифункциональных гибридных биочипов и пьезогенераторов, вводимых в организм человека для автономной работы различных имплантированных устройств, искусственных тканевых эквивалентов, композитных и персонифицированных имплантатов на основе аддитивных технологий и технологий производства изделий из наноразмерной керамики. Благодаря участию в «Приоритете 2030» мы сможем совместно с партнерами провести полный комплекс технологических, доклинических и клинических исследований по каждому созданному изделию. После чего будем готовы передать технологию вместе с пакетом полученных данных и результатов индустриальным партнерам уже для серийного производства изделий.