ТОМСК, 9 фев – РИА Томск. 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.
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.
© с сайта Томского политехнического университета
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.
© Предоставлено Екатериной Чудиновой
Скэффолд – это сетчатый каркас из титанового сплава
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.
© предоставила Екатерина Чудинова
Екатерина Чудинова по специальности физик (магистратуру закончила в прошлом году), но в рамках исследования постоянно соприкасается с химией и микробиологией
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".
© с сайта ТПУ
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…