От титана к биоматериалам
Биоинженерия занимается проектированием, созданием и применением биоаналогов тканей и органов для восстановления их структуры и функций. Она направлена на использование только тех материалов, которые будут наиболее совместимы с организмом и не вызовут с его стороны негативных реакций, например, отторжения. Если человек попал в аварию и получил серьезные повреждения костей, ему может быть установлен титановый имплант (эндопротез). Однако организм считывает его чужеродным и дает различные реакции и осложнения.
Не так давно ученые научились делать индивидуальные эндопротезы со специальным покрытием, которое помогает импланту «подружиться» с организмом. Достигается это следующим образом:
- строится модель нужного имплантата (на основе данных компьютерной томографии пациента),
- печатается на 3D-принтере из титана,
- на имплант наносят покрытие с лекарством,
- эндопротез интегрируется в организм,
- покрытие растворяется, выделяя лекарство.
Таким образом можно не только протезировать утраченные части, но и лечить, например, артроз или опухоли.
Андрей Николаенко, руководитель лаборатории проектирования биопротезов Центра компетенций НТИ «Бионическая инженерия в медицине» СамГМУ:
«По сути эндопротез представляет собой металлическую конструкцию, которая интегрируется в организм. Чтобы минимизировать осложнения мы создали покрытие, которое можно наполнить лекарствами, нужными конкретному пациенту. Например, при зубной травме высок риск инфекции — тогда мы установим эндопротез с противовоспалительным покрытием».
По словам Николаенко, в клинической практике применяют, преимущественно, серийные эндопротезы, но в 20% случаев нужны индивидуальные, которые изготавливают с использованием аддитивных технологий и с учетом анатомических особенностей пациентов, что позволяет максимально эффективно восстановить функцию поврежденной конечности. До их внедрения пациенты, например, с переломами костей таза, могли оставаться инвалидами. А применение цельнокерамических эндопротезов позволяет устранить дефекты суставов кисти и стопы. Сегодня напечатанные на 3D-принтере индивидуальные титановые, керамические и композитные эндопротезы применяются в нейрохирургии, челюстно-лицевой хирургии, реконструктивной хирургии, хирургии кисти и стопы, травматологии и ортопедии.
При этом, несмотря на инновационность решения с эндопротезами, медицина все активнее развивается в сторону использования именно биологических материалов для биоимплантов, которые будут на 100% приниматься организмом. Эксперты полагают, что уже через 15-20 лет биоимплантирование может прийти на смену эндопротезированию, использующему искусственные материалы. В качестве основы для биоимплантов выступают материалы биологического происхождения. Специальными методами из них удаляют все антигены (это те самые частицы, которые заставляют организм бороться с имплантом).
Лариса Волова, руководитель Центра биомедицинских клеточных продуктов Центра компетенций НТИ СамГМУ:
«Тканевая инженерия — это использование биологических материалов, клеточных технологий для создания индивидуальных или серийных продуктов. У нас есть своя собственная технология изготовления биоимплантов из соединительных и опорных тканей человека по запатентованной технологии. Она позволяет удалить клетки, обладающие антигенными свойствами, некоторые белки, но при этом сохранить все биологически активные компоненты, которые участвуют в регенеративном процессе».
Когда биоимплант устанавливают в область повреждения, он временно замещает дефект, стимулируя восстановление собственной ткани. Если мы говорим о повреждениях костей, то трансформацию биоимпланта можно представить следующим образом:
- восстановление анатомической целостности кости и ее функции;
- встраивание в костную ткань;
- прорастание кровеносными сосудами и нервами, заполнение собственными клетками пациента;
- медленная резорбция (рассасывание), с образованием на его месте собственной костной ткани пациента.
В некоторых клинических ситуациях — при значительных разрушениях тканей, процесс биоимплантации проходит более сложный путь. Сначала биоимплант подсаживают в ткани пациента рядом с местом дефекта и «подключают» его к кровеносным сосудам. После того, как биоимплант заполнится собственными клетками, его перемещают вместе с сосудами в область повреждения с устранением костного дефекта. Подобный подход получил название биореактора in vivo.
Лариса Волова:
«Мы создаем биоимпланты по своей структуре и строению соответствующие кости в области повреждения. Если нужно сделать имплант для кости сложной формы (например, нижней челюсти) или индивидуальной формы, то сначала проводится сканирование интересующей области и 3D-моделирование продукта. Затем на специальных станках с числовым программным управлением изготавливаются персонифицированные биоимпланты, которые будет легко и удобно применить во время операций».
От биоимплантов к 3D-биопринтеру и живым клеткам
Биоимпланты представляют собой фрагменты ткани различных форм и размеров. Но помимо этих вариантов, ученые научились делать биогели, которые можно будет использовать для создания полностью персонифицированных биоимплантов методом трехмерной (3D) -биопечати. В качестве основы берутся данные КТ или МРТ области дефекта. Ожидается, что такие биогели появятся к концу 2023 года и станут новым серьезным шагом в развитии технологии биопринтинга и регенеративной медицины в целом.
Если такой биогель совместить с живым клетками, например, стволовыми, получаемыми из жировой ткани или костного мозга, то получаются «биочернила». В ближайшее время на 3D-принтере станут печатать костную, хрящевую ткани и кожный покров для лечения ряда заболеваний опорно-двигательной системы, а также тяжелых и распространенных повреждений кожи (например, ожоговых).
Андрей Николаенко:
«По мере развития технологии на 3D-принтере можно будет печатать не только ткани, но и целиком органы. Конечно, это не быстрый процесс и пока «напечатанное на 3D-принтере сердце» звучит как фантастика, но лет через 50 это будет вполне реально. Причем со временем стоимость этого процесса снизится и будет более широко доступна».
Эксперты отмечают, что по мере развития технологий, 3D-биопечать тканей и органов сможет прийти на замену донорству. Так можно будет решить проблему дефицита донорских органов, а также полной биосовместимости импланта с организмом пациента.
Сложности внедрения
Основная сложность биоинженерии заключается во внедрении новых технологий непосредственно в медицинскую практику. Индивидуальные титановые эндопротезы сложно регистрировать, поскольку сами они не подлежат регистрации, а материал — подлежит. А для биоимплантов как такового законодательства нет.
Сейчас основной закон, который регулирует сферу биоинженерии это «Закон о трансплантации органов и (или) тканей человека» от 1992 года и соответствующие подзаконные акты. Однако те решения, о которых говорилось выше, уже не являются как таковыми тканями или органами. Это изделия медицинского назначения, которые похожи на ткани своими свойствами, но ими в полной мере уже не являются.
Лариса Волова:
«В то время как наука ушла далеко вперед, законодательство живет еще в 90-х годах прошлого века. Конечно, оно не может идти с наукой в ногу, но этот разрыв между ними нужно сокращать, выходить с инициативой, продвигать новые законодательные инициативы».