Наглядный полимер: биоинженерные имплантаты заменят костную ткань
Как инновационные технологии позволят врачам обходиться без донорского материала
Российские ученые разрабатывают уникальные имплантаты, которые позволят отказаться от применения донорских костей. С помощью 3D-печати они создают матриксы, которые можно заселить собственными клетками пациента. При вживлении конструкция не будет вызывать отторжения, а сама подложка со временем растворится в организме пациента без следа. Эксперты считают технологию перспективной, однако напоминают о необходимости полного цикла испытаний.
3D-печатное дело
Научный коллектив Донского государственного технического университета (ДГТУ) занимается разработкой костных имплантатов из полимеров, по свойствам приближенных к человеческой ткани и обеспечивающих достаточную прочность для выдерживания физиологических нагрузок. Речь о скаффолдах — трехмерных пористых матрицах, обеспечивающих механический каркас для клеток. Их имплантация позволяет быстро заместить дефект и восстановить функции поврежденных тканей. Они представляют собой имитацию внеклеточного матрикса, и для их изготовления в настоящее время используют природные и синтетические полимеры, керамику.
Как рассказали «Известиям» в пресс-службе Минобрнауки, исследование ведется в том числе методами математического моделирования. Разработка может быть использована для восстановления костных тканей человека при различных повреждениях. В настоящее время очередной набор прототипов скаффолдов проходит лабораторные испытания.
По словам исследователей ДГТУ, лечение дефектов твердых тканей критических размеров представляет собой серьезную проблему в клинической практике. Чтобы преодолеть недостатки традиционных методов терапии с использованием аллографтов (донорской кости), таких как ограниченная доступность, потенциальная передача заболеваний и отторжение инородных тел, разрабатываются синтетические материалы и методики, включающие 3D-печать.
— Скаффолды представляют собой трехмерные пористые или волокнистые структуры, предназначенные для использования в качестве механической поддержки для роста клеток и регенерации тканей. В идеале они должны обладать специфическими свойствами, способствующими развитию функциональной костной ткани. Со временем они рассасываются, и костная ткань пациента восстанавливается, — рассказал «Известиям» один из участников исследования старший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов ДГТУ Евгений Садырин.
Такие имплантаты позволяют заместить участок кости с сохранением микрогеометрических параметров материала пациента.
Попасть в нейросети
Используя нейросети, разработанные партнерами по проекту, исследователями из Национального университета Ченг-Кунг под руководством профессора Юн-Че Вонга (Тайвань), ученые создали методику определения эффективных свойств архитектурных решетчатых материалов с учетом их упругого, термоупругого и пластического поведения при разных нагрузках. Построены математические модели для исследования поверхностных свойств материалов, в частности для микропористых материалов.
— Необходим высокий уровень связывания каркаса с органическими тканями для успешного завершения всех этапов процесса восстановления кости. Скорость этого процесса зависит от следующих факторов: отношение пористости каркаса к пористости кости, шероховатость наружной поверхности каркаса, совместимость материала имплантата с костной тканью и химический состав каркаса, — пояснил Евгений Садырин.
По словам Евгения Садырина, именно пористость играет существенную роль в процессах прорастания клеток кости в структуру скаффолда. Основная задача ученых — подбор оптимальных материалов с контролируемой микроструктурой.
— Сложность нашей задачи состоит в том, чтобы сделать из полимера изделие, способное выдержать физиологические нагрузки кости человека, при этом в будущем обеспечивая контролируемую биорезорбируемость, то есть рассасывание с одновременным замещением костными клетками пациента. Для этого нужно тщательно оптимизировать структуру и свойства биосовместимых материалов и конструкций с целью достижения их механической совместимости с окружающими тканями пациента, чтобы избежать некроза, — рассказал Евгений Садырин.
Способность скаффолда с заданной микроструктурой выдерживать физиологические нагрузки проверяется в ходе испытаний на сжатие внутри рентгеновского компьютерного микротомографа. С помощью устройства можно наблюдать деформирование материала в реальном времени. Исследователи изучили, как разные структуры заполнения с различными параметрами стенок выдерживают различную нагрузку.
— Математическое моделирование позволяет прогнозировать механическое поведение скаффолда в зависимости от ряда параметров и оптимизировать его структуру, чтобы в конечном итоге получить изделие с желаемыми свойствами. Одной из особенностей исследования является то, что данные для математического моделирования берутся из реальных экспериментов, проводимых в нашей лаборатории, — рассказал младший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов, аспирант ДГТУ Роман Кароткиян.
Важно отметить комплексный подход разработчиков, сказал «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Татарстана Альберт Ризванов.
— Дальнейшее развитие таких технологий видится в функционализации персонализированных костных скаффолдов с помощью активных молекул, факторов роста, стволовых клеток или даже препаратов для того, чтобы стимулировать процессы остеогенеза, то есть формирование костной ткани, — рассказал ученый.
Это, безусловно, полезная разработка, согласен научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.
— Главное, чтобы ученые смогли преодолеть те сложности, типа отторжения, прочности, долговечности и прочие, о которых они, безусловно, знают. От идеи и разработки до клинического внедрения огромный путь, который проходят не все, — отметил эксперт.
Исследования проводятся в рамках гранта Российского научного фонда.
