Полимерный материал для замещения костных дефектов разработали учёные НИТУ «МИСиС»
Полимерный материал для замещения костных дефектов разработали учёные Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» (НИТУ «МИСиС»). Его предназначение - лечить людей, но прежде чем он пройдёт все этапы подготовки для клинических исследований, его попробуют в ветеринарии. Первоиспытателем среди крупных животных, вероятно, станет собака.
Для исправления дефектов костной ткани, возникающих при травмах, врожденных пороках развития или онкозаболеваниях, применяют имплантаты. К “золотому стандарту” трансплантологии относят аутологичные трансплантаты - те, что сделаны из биологического материала, взятого из другой части тела пациента. Однако этот подход имеет существенный недостаток: без ущерба для самого донора у него можно изъять лишь очень ограниченное количество тканей.
Поэтому сейчас в клиниках возрастает спрос именно на синтетические имплантаты. C ними работать гораздо проще. Эти материалы в большинстве своем неиммуногенны, поддаются стерилизации, имеют возможность регулирования структуры (пористость, жёсткость), могут быть изготовлены любой формы и размеров, и достаточно дешёвы.
Идеальных искусственных имплантатов для участков костной ткани пока не создано. Но наука не стоит на месте. В ряду новых разработок, которым пророчат большое будущее, есть и российские творения - полимерные материалы, способные оптимально взаимодействовать с костью в разных клинических ситуациях. Их авторы - группа учёных из Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС».
Федор Сенатов: В своих имплантатах мы повторяем архитектуру и механику костной ткани
Комментирует участник проекта, научный сотрудник центра Фёдор Сенатов:
«Все имплантаты, которые мы разрабатываем, объединяет то, что им присущи остеогенность, остеоиндукция, остеокондукция и остеопротекция. Это означает, что в них есть клетки-предшественники образования костной ткани, которые будут развиваться именно в костную ткань, а чтобы они прорастали без препятствий, в структуре материала имеются еще и взаимосвязанные между собой поры определённого размера. И наконец, материал имеет такие же прочностные характеристики, как и костная ткань. Таким образом, в своих имплантатах мы повторяем архитектуру и механику костной ткани».
В качестве матрицы для материалов учёные используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) - вполне доступное и недорогое сырьё. Благодаря его уникальным свойствам - биостабильности и биоинертности (он не растворяется в кислотах при комнатной температуре, у него высокая износостойкость и низкий коэффициент трения) он уже используется в медицине при эндопротезировании. Но у него есть и недостаток: очень сложная технология его переработки, которую в России так и не смогли освоить на практике.
Алексей Максимкин: Главные достоинства нашего материала в том, что он очень пластичный и одновременно пористый - на 80 процентов состоит из воздуха!
«Наша заслуга в том, что мы создали свой рецепт производства имплантата из этого полиэтилена, и наш материал имеет отличные характеристики, которые ранее не были достигнуты. Главные его достоинства в том, что он очень пластичный и одновременно пористый - на 80 процентов он состоит из воздуха!
- рассказывает еще один участник проекта, научный сотрудник Алексей Максимкин. - Созданная нами пористая структура очень нравится клеткам, они могут там легко закрепляться и прорастать через весь имплантат, с образованием кровеносных сосудов».
Согласно разработанному рецепту, для производства материала учёные берут мелкодисперсный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена размером около 100 микрометров. В него вводят порообразующий наполнитель - NaCl, то есть обычную поваренную соль, но очень чистую, без каких-либо примесей. На специальном оборудовании в определённых режимах эту смесь прессуют в монолитный материал, после чего соль из него вымывают субкритической водой, поданной под большим давлением при высокой температуре. После материал сушат. Из него создают заготовки для имплантатов. Для придания прочности их армируют с одной стороны слоем сверхвысокомолекулярного полиэтилена, который не имеет пор, и который в конечном итоге будет принимать на себя всю нагрузку. Для предотвращения образования бактериальной плёнки в этот внешний слой предварительно вводят бактерицидный агент.
Затем пористую часть этих практически готовых каркасов заселяют мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками, а также белками, которые будут стимулировать прорастание этих клеток в костную ткань.
Эти эксперименты по сочетанию клеточных и белковых технологий учёные МИСиС проводят совместно со специалистами Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина.
Как утверждают авторы, такой материал станет основой для имплантатов достаточно крупных, более 3-х сантиметров, дефектов трубчатых и плоских костей.
Имплантаты на основе СВМПЭ, состоящие из пористого и сплошного слоя
К настоящему времени уже получены образцы материалов, проведены исследования процесса заселения их клетками в зависимости от размера пор. Сегодня учёные проводят опыты in vivo: изучают токсический эффект имплантата в костях крыс, а также исследуют изъятый после имплантации материал, чтобы проверить, как он внутри прорастает тканями.
Учёные предполагают, что, прежде чем их материал пройдёт все необходимые стадии испытаний и получит разрешения к использованию в клиниках, его можно будет применять в ветеринарии.
«Ветеринары испытывают острую потребность в данных имплантатах, - отмечает Алексей Максимкин. - Люди им готовы платить большие деньги за то, чтобы их любимым питомцам вернули здоровье. Ведь если, к примеру, у большой собаки случилось что-то с ногой, то ходить она уже не сможет, если не провести соответствующую операцию с вживлением имплантата в кость. Соответственно спрос на наши материалы ожидается высокий. Испытания на животных, в первую очередь на собаках планируем начать уже в этом году. А вот исследования с участием людей - это долгий процесс. Мы впервые в нем будем задействованы».
Для замещения более мелких дефектов кости исследователи разрабатывают имплантат из биоразлагаемого материала, который создают с помощью 3D-печати - экономически выгодного метода, позволяющего формировать пористый каркас по заранее построенной компьютерной модели. В этом случае сырьем для него служит полилактид, содержащий гидроксиапатит, который в свою очередь состоит из кальция и фосфора. Особенность этого материала в том, что он разлагается на нетоксичные продукты, и полностью выводится из организма. По мере разложения он успевает замещаться костной тканью. Однако на больших участках кости его использование под сомнением, так как замещение ткани может происходить неравномерно.
Схема производства имплантата методом 3D-печати
Линию производства имплантатов из материала, разработанного учёными, готов открыть Государственный завод медицинских препаратов, выступающий индустриальном партнёром института в проекте.
Проекты «Разработка бислойной биоинженерной конструкции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для репаративной хирургии плоских и трубчатых костей с использованием ростовых факторов и клеточных технологий» и «Разработка пористых полимерных биоинженерных конструкций с биоактивным компонентом для тканевой инженерии с использованием технологий 3D печати» поддержаны ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы».
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=96124#.VSQ7x2e-BR0