От лица до ракеты: как керамика от ученых ТГУ меняет целые отрасли

ТОМСК, 29 окт – РИА Томск, Елена Тайлашева. Томские онкологи планируют выполнить реконструкцию нижней челюсти с использованием 3D-имплантатов из нанокерамики, разработанных в лаборатории медицинских материалов Томского госуниверситета (ТГУ). Почему разработки ученых-материаловедов больше всего "прижились" в медицине и как томская керамика может помочь в создании "невидимой" ракеты – в материале РИА Томск.

Эффект налицо

Первый протез из пористой нанокерамики установили в Томске полтора года назад, "первопроходцем" стала 26-летняя пациентка из Тувы, потерявшая часть верхней челюсти из-за остеогенной саркомы. Старший научный сотрудник НИИ онкологии ТНИМЦ Денис Кульбакин рассказывает, что уже через месяц после операции налицо был отличный эффект:

"Ушел отек, мы сняли швы – протез из нанокерамики прижился. За полтора года установили уже шесть таких протезов, и все – успешно. Тогда как самые распространенные имплантаты – из металла – имеют другую статистику: до 40% отторгаются из-за развития воспалительных процессов. До конца года сделаем еще две операции, в следующем году планируем резко увеличить темпы и взять около 20 пациентов".

Все операции томские микрохирургии пока делали на верхней челюсти, но сейчас готовится первая операция на нижней челюсти. "Она более мобильная, нужен особый подход. Но мы уже начали подготовку", – говорит Денис Кульбакин.

Как выживала наука

Хирурги-онкологи и ученые-материаловеды познакомились на одной из научных медицинских конференций в Томске. "Интересно вам такое?" – "Интересно!" – примерно так началось сотрудничество. Но до первой операции прошло еще около двух лет – нужно было разработать методику, решить все мельчайшие нюансы будущих операций.

И сейчас заведующий кафедрой ФТФ и завлабораторией медицинского материаловедения ТГУ Сергей Кульков констатирует: "Медики – это, в общем, единственные на данный момент (потребители технологий), с которыми у нас получилось сотрудничество. Финансов там нет, зато есть взаимный интерес, работа поддерживается на уровне директора НИИ онкологии Евгения Чойнзонова".

Его коллектив – в какой бы организационной форме он не пребывал за 20 с лишним лет работы – всегда занимался применением фундаментальных исследований для разработки технологий.

"Моя лаборатория создавалась в 1988 году как отраслевая лаборатория Министерства машиностроения, мы разрабатывали композиционные материалы повышенной прочности. Модного слова "нано" тогда еще не было – но были ультрадисперсные материалы, по сути то же самое. В 1992-м, когда вся наука развалилась, мы смогли продолжить работу благодаря хоздоговорам, не супербольшим, но позволявшим выжить", – вспоминает Кульков.

Обмануть клетки

В 2000-е годы лаборатория занялась новым перспективным направлением – керамическими композитами, затем – пористыми керамическими материалами. Федеральные целевые программы Минобра, появившиеся в то время, помогали полностью погрузиться в науку, а не думать о куске хлеба…

"Мы смотрели разные структуры порового пространства, а потом вдруг – раз! – увидели, что поровая структура похожа на структуру кости. Начали изучать механические свойства, и в конечном итоге сделали полный аналог кости. И тут вдруг (в науке много чего происходит "вдруг") появился Денис Кульбакин, прекрасный микрохирург, который делает операции на лицевой части и который заинтересовался нашими разработками", – рассказывает Сергей Кульков.

Сейчас перед учеными ставят новые задачи – как, например, сделать так, чтобы остеоинтеграция проходила не за месяц, а за неделю? Этот вопрос можно рассматривать с точки зрения биологии, и коллектив лаборатории Кулькова уже ведет совместные с биологами исследования по органическим покрытиям для керамики.

"Также можно подойти к нему с точки зрения физики: сейчас в керамике используется оксид алюминия Al₂O₃ – чистый изолятор, который не проводит ток, но если взять оксид циркония ZrO₂, который является суперионным проводником, то клетки будут "чувствовать" потенциал поверхности и активнее на ней размножаться. Междисциплинарность дает возможность создавать структуры, "обманывающие" организм все лучше и лучше", – улыбается ученый.

А если, продолжает он, к оксиду алюминия добавить кислород, материал станет прочным и тугоплавким одновременно – он будет плавиться при 2000°C. А если заменить алюминий на цирконий – при 2400 градусах…

"Это, конечно, уже не медицинская тема – в медицине не нужна такая термостойкость. Зато эти материалы могут быть интересны разным отраслям промышленности. А сейчас мы работаем над неоксидной керамикой, которая может работать при температуре до 3000 градусов", – рассказывает Кульков.

Такой материал, например, открывает конструкторам шанс сделать "невидимую" ракету, которую будет трудно вычислить врагу. Ведь чтобы она двигалась по неуправляемой (а не по стандартной баллистической) траектории и могла несколько раз облететь вокруг земного шара, ее двигатель должен течение часа-двух выдерживать сверхвысокие температуры, до которых ракету разогревают плазменные потоки атмосферы.

"Таких задач перед учеными никто не ставит, эти исследования – почти полностью наша инициатива. Но они уже дают результаты: в ходе испытаний на базе головной организации Роскосмоса – ЦНИИмаш – образцы нашей многослойной керамики подвергали воздействию плазмы, разогнанной до гиперзвуковой скорости, с температурой, достигающей 3000 градусов. При таких экстремальных условиях новый материал без проблем выдержал четыре минуты, это уже достижение", – считает Сергей Кульков.

Сейчас обсуждается техническое задание для изготовления макета, близкого к реальному, чтобы провести испытания уже в не лабораторных условиях.