Interfax-Russia.ru - Красноярские ученые создали полностью биоразлагаемые 3D-каркасы для регенерации костной ткани.
Ученые Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (КНЦ СО РАН) совместно со специалистами Сибирского федерального университета (СФУ) и Клинической больницы "РЖД-Медицина" разработали полностью биоразлагаемые 3D-каркасы для регенерации костной ткани. Их можно использовать в качестве имплантатов для костных дефектов, при этом организм самостоятельно будет восстанавливать свою костную ткань.
"Каркас изготовлен из разрушаемого биоразлагаемого полимера оксипроизводных жирных кислот природного происхождения. Он был синтезирован в Институте биофизики СО РАН при помощи бактерий штамма Cupriavidus eutropus. Из исходного полимера специалисты вытягивали пластиковые "нити", из которых в дальнейшем при помощи 3D-принтера были напечатаны каркасы. Исследование показало, что каркас обладает прочностью, сопоставимой с прочностью костной ткани", - сообщила пресс-служба Красноярского научного центра.
Для оценки биосовместимости при имплантации специалисты заместили каркасами поврежденную область в бедренной кости домашних свиней. Исследование показало, что остеобласты (клетки, образующие костную ткань), активно заселяли поверхность каркаса, проникали в его структуру.
"Клетки распространялись по каркасу, покрывали его поверхность и заполняли все пространство. Это позволило организму сформировать костную ткань и восстановить анатомическую структуру кости за пять месяцев", - уточнили в КНЦ.
При этом, как отмечают ученые, сам каркас медленно – от нескольких месяцев до нескольких лет – разрушается в организме. Полимер, на основе которого он создан, распадается на мономеры масляной кислоты – обычный метаболит всего живого, под воздействием ферментов крови, тканевой жидкости и клеток макрофагов.
"Результаты эксперимента и первоначальная оценка остеопластических свойств 3D-каркасов говорят об их перспективности для формирования костной ткани. Разработанные 3D-имплантаты, не содержащие никаких лекарственных препаратов и стимуляторов, обеспечили формирование полноценной и зрелой костной ткани и полное восстановление дефекта. Они пригодны для реконструкции дефектов костной ткани в качестве имплантатов для регенерации дефектов костной ткани человека и перспективны для дальнейших исследований", - сообщила заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН, заведующая базовой кафедрой биотехнологии Сибирского федерального университета (СФУ) Татьяна Волова.
Ранее ученые КНЦ СО РАН совместно со специалистами Красноярского центра сердечно-сосудистой хирургии создали биополимер для стентов, при контакте с которым у клеток крови не было негативных эффектов. Задача возникла в ответ на ряд медицинских проблем при традиционном стентировании сосудов. Так, при установке стента, который изготавливают путем филигранной лазерной нарезки тончайших, до 2 мм в диаметре, стальных трубочек, существует риск повторного сужения сосуда в том же месте, из-за того, что инородное тело раздражает сосуд.
"Металлическое инородное тело становится причиной хронического воспаления и развития повторных, часто стремительных, атеросклеротических изменений. Сосуд в этом месте делается менее прочным, чем здоровый, стенка – более хрупкой, что может быть причиной разрыва, то есть сосудистой катастрофы", - пояснили в КНЦ СО РАН.
В свою очередь биополимеры, разработанные красноярскими учеными, не отторгаются живыми тканями организма и не раздражают их. Более того, изменяя структуру полимера при его биосинтезе, исследователи могут регулировать "срок жизни" изделия в организме, его гибкость и упругость, рельеф поверхности.
"Помимо видимого накопления липидов – мелких плотных капель, наполняющих цитоплазму, атеросклеротические клетки после контакта с биополимером выраженно меняют форму и продукцию характерных для заболевания молекул, таких как простагландины и лейкотриены. Ученые обнаружили, что реакция клеток на полимерные пленки разного состава отличается. В перспективе это открывает возможности для управления их состоянием", - уточнила пресс-служба КНЦ СО РАН.
В свою очередь исследователи Томского государственного университета (ТГУ) разработали новый состав сплава для импланта и специальные покрытия для него, которые уберегают протез от быстрой дегенерации. Результаты исследований опубликованы в научной статье в журнале Surface and Coatings Technology (Q1).
"В ходе исследований был подобран оптимальный состав сплава Mg-Ca-Zn. Материаловеды полностью изучили его структуру и протестировали на клеточных культурах, оценивая цитосовместимость", - сообщила пресс-служба ТГУ.
Цилиндрические импланты диаметром 2 мм вживили лабораторным кроликам специалисты Уральского государственного медицинского университета.
"Клиническая оценка результатов показала полное отсутствие гнойно-воспалительных осложнений у всех животных в течение первых 28 дней после имплантации. Именно этот период несет в себе больше всего рисков развития послеоперационных осложнений", - пояснили в пресс-службе ТГУ.
На следующем этапе специалисты разработали конструкции с контролируемой скоростью биодеградации. Как пояснили в ТГУ, новые импланты можно применять в травматологии, ортопедии, а также челюстно-лицевой хирургии. Особенно перспективны такие биоразлагаемые конструкции в восстановительном лечении детей, поскольку повзрослевшему ребенку не нужно будет делать повторную операцию, чтобы извлечь протез.
Наряду с этим томские ученые разработали универсальный метод, который позволяет оптимально подбирать физические характеристики импланта под "родные" ткани пациента. Также они создали так называемый атлас - классификатор материалов и биотканей, упрощающий работу материаловедов и хирургов.
"Теперь мы точно знаем, какими параметрами они (материалы и биоткани – ИФ) обладают. К примеру, мы точно знаем, что к мышцам подходит сетка именно толщиной 60 микрометров, а к коже – 45 микрометров. Этот метод был проверен на лабораторных животных. Эксперименты показали, что наша модель эффективно работает. Новый подход уже внедряется в практику томскими хирургами", - пояснила заведующая лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ Екатерина Марченко.
В частности, по ее словам, новый метод применяли при подборе мягкого импланта для пациента с обширным дефектом тканей лица. В ходе операции по их восстановлению врачи НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра (ТНИМЦ) использовали конструкцию из металлотрикотажа, изготовленную учеными ТГУ. Это позволило сохранить подвижность тканям лица пациента. Такую операцию провели в России впервые.
"С помощью нового метода будут классифицированы медицинские материалы и конструкции, созданные не только учеными ТГУ, но и другими материаловедами России для восстановительной хирургии", - добавили в вузе.