Медицина и наука пришли к созданию искусственных частей тела и человеческих органов. Если сегодня массово производятся имплантаты для замены зубов и костей, то в через пару десятилетий можно будет полностью решить проблему донорских тканей. Ученые работают над усовершенствованием качественных характеристик имплантатов: износостойкостью, способностью приживаться в человеческом организме и даже возможностью восстанавливать костную ткань, а затем растворяться без следа.
Протезы для костей
Каждый год в нашей стране проводят более 70 тысяч операций по восстановлению костной ткани. Необходимость в таких операциях возникает в результате травм или онкологических заболеваний. На место разрушенной кости или ее части устанавливают костный имплантат. Чаще всего имплантаты производят из металла: титана, ванадия или циркония. Иногда их делают из керамики или полимеров. От того, из какого материала изготовлен имплантат, зависит, насколько эффективно он сможет заменить собой утраченную кость.
Основная проблема при их установке — приживаемость. Организм человека воспринимает имплантат как инородное тело и может начать отторгать его. Задача ученых — свести на нет такие реакции и добиться высоких показателей биосовместимости материала.
Другой важный фактор – механические свойства имплантата. Изделия из металлов часто оказываются более жесткими, чем костная ткань. Когда часть кости заменяется металлическим фрагментом, он берет на себя основную нагрузку за счёт более высокой жёсткости, а кость без нагрузки начинает слабеть. Это может привести к повторному перелому. Необходимо разрабатывать материалы для имплантатов с характеристиками, максимально приближенными к свойствам человеческой костной ткани.
Нанопокрытия для имплантатов
В Томском Политехническом Университете (ТПУ) при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030» ученые занимаются созданием имплантатов и технологий для их производства. На их счету – уникальные разработки, решающие основные проблемы с применением имплантатов.
Проблему биосовместимости томские ученые предложили решить с помощью нанесения на титановый имплантат особого покрытия, состоящего из кальция и фосфора. Поскольку эти элементы являются основой костной ткани человека, организм не отличает имплантат, покрытый таким составом, от собственной кости, и не отторгает его. Такой же механизм позволил повысить биосовместимость конструкций, помещаемых в коронарную артерию — коронарных стентов. На них нанесли состав из оксинитридов титана и биорезорбируемого композитного слоя с наночастицами.
Для того, чтобы имплантаты быстрее приживались, ученые из ТПУ разработали технологию покрытия поверхности имплантатов сетью нанотрубок из оксида титана. Это своместная разработка Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха и их коллег из Германии и США. Эффект воздействия оксида титана заключается в том, что ткани организма вокруг имплантат начинают быстрее разрастаться, их клетки лучше сцепляются с металлом, из которого сделан имплантат. Это положительно сказывается на его приживаемости. Кроме того, в нанотрубки можно перед операцией загружать лекарственные вещества, которые будут поступать в организм пациента, помогая ему бороться с теми или иными заболеваниями.
Еще одна сложность, связанная с установкой имплантатов, состоит в том, что в результате15-20% операций в организм попадает инфекция, начинаются осложнения. Выход – обрабатывать материал имплантата антибактериальным составом. Такой метод разработали специалисты Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Сначала поверхность сплава подготавливается и делается пористой. Затем ее наполняют наночастицами с ионами серебра. Пористость поверхности повышает стойкость покрытия, благодаря ей микроорганизмы контактируют с серебром более плотно и равномерно.
С помощью нанопокрытий ученые из Томского Государственного Университета (ТГУ) предлагают решить вопрос увеличения надежности и сроков работы имплантатов в организме. Их разработка — уникальное двухслойное покрытие на основе интерметаллических оксикарбонитридов для имлантатов из никелида титана. Оно делает материал, из которого изготовлен имплантат, устойчивым к коррозии и более долговечным. По словам авторов работы, ключевое отличие от аналогов в том, что наноструктура нового покрытия позволяет избежать его растрескивания и отслоения при деформации основы.
Технология скаффолда
Иногда для восстановления поврежденного участка костной ткани используют не имплантат, а скаффолд. По сути, это каркас, который будет «обрастать» живыми клетками костной ткани организма. Ученые МИСиС разрабатывают скаффолды на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Им удалось повторить сложную структуру губчатой костной ткани со сплошным внешним и пористым внутренним слоем. Первый сплошной слой имитирует твердую повехность кости и обеспечивает механическую прочность. Внутренний слой имеет поры определенного размера для того, чтобы в них врастали клетки костной ткани человека и имплантат быстрее срастался с окружающими его тканями.
В ТПУ тоже создают скаффолды, но для их изготовления используют полиоксиалканоаты — биодеградируемые полимеры, которые производятся бактериями. Уникальность метода в том, что скаффолд выполняет функцию временной «подпорки» для восстановления кости. В таком каркасе есть система крупных пор, в которые врастают кровеносные сосуды. Кроме того, в поры вводят лекарство, которое в процессе регенерации кости служит местной «химиотерапией» и способствует быстрому восстановлению. После образования новых костных тканей «каркас» распадается и полностью выводится из организма. Процесс занимает несколько месяцев.
Имплантаты-гибриды
Соединив металл и полимер, можно создавать имплантаты – «заплатки», которые могут восполнить большие структурные дефекты. Такой имплантат будет состоять из нескольких слоёв: внутренний пористый слой, слой металла, берущий на себя нагрузку, верхний биоактивный слой из полимера.
С помощью 3D-печати ученые смогли воспроизвести не только структуру, но и внешнюю форму имплантатов. Важно, чтобы границы имплантата при установке совпадали с костной тканью. Для этого место для будущего имплантата сначала определялось с помощью компьютерной томографии, затем на 3 D-принтере печатали форму и заливали ее полимерным материалом. Для того чтобы имплантат быстрее приживался, в него вводят специальные белковые молекулы, которые активируют рост костной ткани.
Электрические заряды для костей
Новые технологии разрабатывают не только для производства имплантатов, но и для усовершенствования процессов восстановления при переломах или трещинах кости. Один из методов – использование пьезоматериалов. У организма человека есть особенность, которая состоит в способности восстанавливать костную ткань с помощью электростимуляции клеточных процессов. Она осуществляется с помощью использования пьезополимеров. Такие материалы могут производить небольшой электрический заряд в результате механической деформации или нагрузки. В костный дефект внедряется пьезоэлемент. При контакте с тканями организма образуется электрическое поле и заряд, который способствует регенерации костных клеток, а также отталкивает бактерии.
ОМС