Российские ученые создали искусственные кости, умеющие залечивать трещины
Ученые Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС" разработали материал для костных имплантатов, с возможностью самозалечивания трещин. В основу был положен полимер с памятью формы, который восстанавливает свою структуру при локальном нагреве. Результаты исследований были представлены на видеоконференции "Научные и технологические решения для медицины будущего" (Москва-Дели), прошедшей в ММПЦ МИА "Россия сегодня".
Речь идет о возможности замены маленьких или крупных частей кости при травмах, а также операциях по удалению фрагмента костной ткани при развитии злокачественной опухоли. Человеческий организм не обладает ресурсами для самостоятельного замещения большого количества костной ткани, поэтому возникает необходимость в имплантатах.
Если имплантат внутри организма находится под циклической нагрузкой (это обычно возникает при замещении фрагментов костей в конечностях, особенно ногах), в нем образуются трещины, возникновение которых очень сложно контролировать. Предотвратить их образование невозможно, однако, можно создать имплантат из материала с возможностью самозалечивания.
"Мы развиваем подход использования материалов с памятью формы", - поясняет кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС" Федор Сенатов. "Изначально имплантат имеет определенную форму, потом трещина ее меняет, но при нагревании структура восстанавливается. Эффект памяти формы требует сосуществования в полимере жесткой фазы (химические или физические сшивки, переплетения молекул или межмолекулярные взаимодействия) и мягкой фазы, которая определяет энтропийную упругость макромолекул и могла бы быть деформирована во временную форму. Можно представить себе, что кусок полимера, из которого состоит наш имплантат, - это некая пружина в желе. Допустим, вы деформируете этот кусок пластика, - то есть, растягиваете пружину. Застывшее желе не дает ей сомкнуться обратно. Однако если подогреть желе, оно станет мягким и пружина сможет вернуться к своей изначальной форме", - добавил он.
Движущей силой для восстановления формы является изменение подвижности молекул полимера и переход от более упорядоченной временной конфигурации после деформации к термодинамически выгодной конфигурации с более высокой энтропией и меньшей внутренней энергией.
На данный момент в разных лабораториях мира ведутся опыты на животных по изучению возможностей локального нагрева такого имплантата без затрагивания окружающих тканей. Чтобы его нагреть, нужно провести малоинвазивную операцию, то есть сделать прокол и подвести волновод прямо к замещенному фрагменту кости. Главная проблема заключается в том, что пока форма имплантата восстанавливается при температуре выше 50-ти градусов, что может нанести большой урон живым клеткам. Кроме того, температура активации эффекта памяти формы высока для полимеров, подходящих для использования в костных имплантатах.
Если стремиться сделать имплантат подобием кости, выдерживающей большие циклические нагрузки, то температура нагрева еще поднимется. Это будет 60-70 градусов, что, несомненно, будет губительным для окружающих тканей.
"К сожалению, человечество на данный момент не имеет ни одного материала, который был бы с одной стороны твердым и прочным, а с другой стороны, легко преобразующим свою структуру при приемлемых температурах. Думаю, тут нужно будет экспериментировать с технологией аккуратного нагрева или находить оптимум путем создания композиционных материалов и изменения их внутренней структуры. Нам удавалось "нащупать" такие составы, но пока их самозалечивание происходит при 50° C ", - пояснил Федор Сенатов.
На данный момент ученые Центра композиционных материалов НИТУ "МИСиС" используют в качестве основы для имплантатов разные полимеры, в основном биорезорбируемые, то есть саморассасывающиеся. Ими можно замещать мелкие фрагменты костей, что востребовано в челюстно-лицевой хирургии. Для крупных фрагментов используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
Твердость полимера повышается за счет ввода дополнительных частиц, например, гидроксиапатита - это минеральная основа костей и зубов. Для достижения нужной температуры используется прямой нагрев, электрический ток, ультразвук и переменное магнитное поле. Чтобы добиться эффекта нагрева при помощи магнитного поля, в полимер специально вводятся магнитные наночастицы. После наложения переменного магнитного поля частицы внутри имплантата начинают разогреваться и передавать тепло окружающему материалу. Сейчас ученые экспериментируют с составами материалов, пытаясь повысить прочность, снизив при этом температуру нагрева.
