«Кости из полиэтилена»

Наука-2019. Дайджест. Сделано в Москве

Мы выбрали для вас удивительные открытия московских ученых, каждое из которых, безусловно, займет достойное место в летописи большой науки. Оказывается, сегодня в лаборатории возможно сконструировать износостойкую и легко внедряемую замену костям.

А детектор «Доктор Нейтрино» в состоянии контролировать ядерную безопасность и изучать разнообразные процессы, которые происходят внутри Солнца и Галактики.

«Кости из полиэтилена» и эмиссионный детектор нейтринного излучения. Авторы этих уникальных исследований охотно ответили на вопросы редакции журнала «Школа. Москва» — они постарались, чтобы нам стало не только понятно, но еще и очень интересно! А обилие научной терминологии подхлестывает любопытство и заставляет нас лишний раз обратиться к справочникам или заглянуть в интернет.

И никакого пафоса по отношению к нам, «простым смертным»! Наоборот! По словам ученых, все предельно просто — решение буквально лежало на поверхности. Но можно только догадываться, сколько кропотливой работы, сомнений и ежедневного труда стоят эти блестящие результаты. Авторы исследований делятся мыслями о своих проектах и невероятными планами на будущее. Им есть чем гордиться, ведь уже сейчас их не имеющие аналогов разработки запущены в производство. Они счастливы, что практика подтвердила теоретические выкладки, и предчувствуют большую работу, которая им только предстоит. И самое главное: они уверены, что главная цель любого научного открытия — менять мир вокруг к лучшему!

ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННЫЕ БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ ИМПЛАНТАТЫ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ («ИСКУССТВЕННЫЕ КОСТИ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНА»)

Федор Сенатов, НИТУ «МИСиС», кандидат физико-математических наук, руководитель образовательной программы «Биоматериаловедение iPhD»

Федор, скажите, пожалуйста, как правильно, по-научному, называется ваша разработка? Мне кажется, «кости из полиэтилена» звучит как-то несерьезно!

Ну если совсем официально — «Индивидуализированные биомиметические имплантаты для замещения дефектов костной ткани».

Правильно ли я понимаю, что «биомиметические» — практически от слова «мимикрия»? Эти имплантаты настолько похожи на настоящие кости, верно?

Да, все верно!

Пожалуйста, познакомьте нас с вашими разработками!

Наша главная «фишка» — имитация настоящей, природной костной ткани. Кость сама по себе очень неоднородна — возьмите, к примеру, суповую косточку! (смеется) У нее есть внешний сплошной слой, очень прочный и плотный, а есть внутренний — там костный мозг, он мягкий, губчатый. По-научному они называются кортикальная и губчатая кости. Общая проблема тех имплантатов, которые есть на рынке сейчас, — большое отличие по своей структуре от нативной (натуральной — прим. ред.) костной ткани. То, что сейчас может имплантироваться в организм человека или животного, непохоже на настоящую кость по многим параметрам: по свойствам, по структуре. И, соответственно, такие имплантаты не могут адекватно интегрироваться с реальной костью, не могут продолжать жить вместе с организмом.Наша основная идея — воспроизвести структуру и свойства
настоящей костной ткани. Как? Мы берем достаточно известный искусственный материал. Например, полиэтилен! Только не простой, не пакетики (смеется), а сверхвысокомолекулярный. Это тоже полиэтилен, но у него очень-очень длинные молекулярные цепи. Он уже давно одобрен для применения в медицине и около 40 лет используется в эндопротезировании суставов. Так вот, мы смогли создать очень высокопористую структуру.

Вот кусок высокопористого полиэтилена. Здесь 90 % воздуха — это и есть поры. Вся идея здесь, внутри, в микроструктуре. Размер пор здесь такой же, как и в натуральной кости. Если клетки находятся, скажем, в «квартире», которая им знакома, им комфортно в этом «помещении». Это, знаете, как людям спокойнее и комфортнее в знакомом месте, так и клеткам комфортнее в поре, которая похожа на натуральную. И все поры сообщаются с коридорами, каналами и могут в этих условиях перемещаться, а значит, ткань может прорастать. Вот когда клетка в организм «пришла», она должна «сесть» на поверхность, «зацепиться» — и только тогда начинается рост, деление клеток — пролиферация. Ткань начинает прорастать внутрь — мы создаем такие же условия, как в натуральной, трабекулярной, губчатой кости.

Второе, что мы пытаемся сделать, — это получить такие же механические свойства, как у настоящей кости. Я уже говорил, что кость за счет внешнего кортикального слоя очень прочная. Казалось бы, есть очень прочный, известный в медицине материал — титан. Но у него очень большая жесткость — на языке материаловедов это называется «высокий модуль упругости». Вот представьте конструкцию: кость, потом имплантат в кости и снова кость. Натуральные кости изгибаются до 4 % под действием нагрузки, а титан, как более жесткий материал, не сгибается и начинает принимать нагрузку на себя. Знаете, есть такой закон Вольффа. Согласно этому закону, если кость остается без нагрузки, она начинает охрупчиваться, изменяет свою структуру. Не чувствуя нагрузки, кости становятся более хрупкими, поэтому их надо нагружать! А получается, что нагружать нечем — все принимает на себя титан!

Так что же делать?

Мы пытаемся создать такую структуру в титане, чтобы его механические свойства стали бы похожи на натуральную кость. Мы используем комбинацию классического материаловедения с успехами в 3D-печати. Например, часть имплантата, напечатанная на 3D-принтере, в котором модуль упругости, то есть жесткость материала, очень похож на натуральную кость.

Мы добавляем в эту хорошую, прочную металлическую часть наш пористый полимер, полиэтилен, и комбинируем все это в так называемую гибридную конструкцию. Это называется «гибридный имплантат».

 
Внутри есть титан — легкий, прочный материал, дальше, в самой сердцевинке, как будто губчатая кость, куда могут «приходить» клетки. А сверху — еще раз слой полиэтилена, который можно насыщать, например, лекарственными препаратами, если будет нужна какая-то дополнительная терапия, либо антибактериальными агентами, если нужно избежать инфекции в ходе хирургической операции.

Мы пытаемся сделать так, чтобы антибиотик «сидел» внутри структуры полиэтилена, потихонечку выходил на поверхность и убивал бактерии. Вот такой комбинированный имплантат мы и разработали.

То, что вы рассказываете, потрясает! Правильно ли я понимаю, что самая главная задача сейчас — максимально приблизить свойства и качества имплантатов к натуральной кости человека? И самое главное — насколько это безопасно? Могут ли быть какие-то противопоказания?

Для нас, как для создателей, в принципе, не так важно, для кого мы будем создавать имплантат — для человека или для животного. А отвечая на вторую часть вопроса — всегда могут быть какие-то противопоказания по нагрузкам, большое значение имеет место, куда будет установлен имплантат. Все нужно подбирать индивидуально. Это и называется персонализированная медицина, индивидуальный подход! И здесь очень помогает 3D-печать —мы пытаемся под каждый конкретный случай подобрать такой материал, такой имплантат, который подойдет именно этому пациенту. Наша отличительная черта — подбор нужного материала, биосовместимого и биоактивного, позволяющего полностью восстановить кость, чтобы, например, кот мог пользоваться лапой, ходить, опираться на нее.

И еще один наш hot topic — это клеточно-инженерные конструкции. Как раз кот, которого мы привели в пример, — это кот Лапуня с клеточно-инженерной лапой! Перед операцией мы заселили имплантат клетками самого кота. Из костного мозга берется проба, выделяются особенные клетки — они называются «мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки».

В чем их особенность, кроме труднопроизносимого названия?

Это такие, знаете, клетки, которые еще не определились, клетки-школьники! Из них много чего может получиться, главное — направить их на нужную дорогу. Именно из них может получиться жировая ткань, кость, хрящ. Так вот, брали клетки из костного мозга, заселяли пористую часть, давали десять дней на «обращивание» и уже потом эту клеточно-инженерную конструкцию поставили коту.

Можно ли говорить о том, что в мире нет аналогов этим разработкам?

В мировой науке сейчас масса близких разработок, идущих рядом друг с другом, и каждая из них имеет свои достоинства.
Наша тема — это создание гибридных структур, где мы совмещаем полиэтилен и титан, вводим клеточные компоненты. То, что мы сделали с полиэтиленом, — это сделано впервые. Важно отметить, что работа эта комплексная, междисциплинарная. Это как раз то, что мы называем биоматериаловедением, — мы совмещаем и материаловедение, и медицину, и биологию. Мир сейчас в принципе междисциплинарен. Кстати,
вы пришли на университетскую «пару» — здесь занимаются будущие материаловеды. Они учатся «делать кости», занимаются вопросами адресной доставки лекарств, но, что бы они ни делали, это уже междисциплинарные области.

Наверное, последний вопрос! Есть возможность у старшеклассников посещать какие-то занятия в НИТУ «МИСиС» и, может быть, уже сейчас определиться с будущей областью деятельности?

У нас ведется большая профориентационная работа — например, это «Университетские субботы». Мы регулярно, каждую субботу, проводим занятия, в том числе и по околомедицинской тематике — это и биоматериаловедение, и биомедицина, и сопутствующие направления. Ребята заняты проектами — индивидуальными и групповыми. Например, один из таких проектов состоит в том, что нужно разработать материал и напечатать на 3D-принтере самоустанавливающийся имплантат — еще одна «фишка», которой мы занимаемся. Это особый вид имплантатов, которые сначала могут быть в сжатом виде, а потом их помещают в организм, и они начинают распрямляться, принимая нужную форму.

Просто необходимо, чтобы школьники пришли, попробовали — то ли это дело, о котором они мечтали? Хотят ли они этим заниматься? Область широкая — можно поработать руками, сделать сам материал, провести биологические изыскания, посмотреть, как это взаимодействует с клетками организма животного и человека. Самое главное — найти свою нишу!

текст: Е. Рипс фото: Г. Матвеев, предоставлены НИТУ «МИСиС»