Информационный портал профессоров РАН

Мы в

Наверх

Моторная активность облегчает принятие решения

июля 16, 2018

Выступление профессора РАН Дьяконовой Варвары на Седьмой международной конференции по когнитивной науке

Подробнее

Право голоса

июня 28, 2018

Профессор РАН Олег Барабанов принял участие в передаче "Право голоса".

Подробнее

Биологические молекулярные машины

июня 6, 2018

Что такое супрамолекулярная химия и чем она отличается от молекулярной химии? Как работают биологические молекулярные машины? На эти и другие увлекательные темы по химии поговорила с московскими школьниками член-корреспондент Российской академии...

Подробнее

НАУКА И ИСКУССТВО. Профессор РАН Бобровский об искусстве

июня 3, 2018

У каждого учёного есть сверх идея - вносить свой посильный вклад в процесс познания мира. И отправной точкой, запустившей этот процесс, становятся детские переживания, связанные с прикосновением к произведениям искусства...

Подробнее

Алексей Собисевич, член-корреспондент РАН, о природных катаклизмах. Молния

октября 19, 2017

Интервью с Алексеем Собисевичем об изменении климата, природных катаклизмах и сейсмической активности 

Подробнее

Технологии восстановления костных тканей

Как создают материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани? Почему сегодня гидроксиапатит практически не используют в клинической практике? Какие материалы используют для инженерии костной ткани? На эти и другие вопросы отвечает доктор технических наук Владимир Комлев.

Нужно начать с определения, какая существует проблема и ее актуальность. Это проблема замещения или регенерации костных тканей или тканей у человека. Для этого применяются различные материалы и имплантаты, и существует достаточно много различных подходов. Один из них — так называемая инженерия тканей — базируется на принципах биоминерализации.

Костная ткань — это неорганический и органический композиционный материал, приблизительно 70% неорганической составляющей и 30% органической составляющей ткани. Неорганическая составляющая ткани состоит из биологического гидроксиапатита, но не стоит путать его с синтетическим материалом. Органическая составляющая состоит из коллагена различных типов. В основном это может быть первый, второй тип, различные белки, пептиды и так далее.

Проблема, которую мы решали, — это создать материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани, то есть к биологическому гидроксиапатиту.

Еще в конце XIX — начале XX века проводились исследования, которые базировались на исследованиях деминерализованной костной ткани, то есть мертвой ткани того же самого пациента. Проблема состоит в чем? Существует дефект определенного размера и определенной геометрии. В любом случае этот дефект нужно заместить каким-то материалом, иначе не будут происходить процессы остеогенеза, то есть не будет расти костная ткань, нарушится биомеханика и биомеханические свойства, и, таким образом, пациент остается инвалидом. Поэтому задачей человека был поиск таких материалов.

Вначале использовали деминерализованные ткани как животных, так и самого человека. Надо сказать, что есть определения для этих материалов. Так называемые ксенотрансплантаты — материалы, которые берутся от животных, обрабатываются определенным способом, и получается материал. Есть аллотрансплантаты — берутся от скончавшихся пациентов. Есть другой тип трансплантата — аутотрансплантаты, когда берется кость у пациента. Можно привести пример: берется кость из ребра и подсаживается в место дефекта на челюстно-лицевой зоне.

Все эти материалы имеют определенные недостатки. Если говорить о ксенотрансплантатах, то они могут служить источником вируса, вирусных заболеваний. Помимо этого, они не будут достаточно биосовместимы с организмом человека-реципиента. Если говорить о проблемах аутотрансплантатов, то объем тканей достаточно ограничен, то есть нельзя вырезать большой объем костной ткани, допустим, из ребра и переместить его в челюстно-лицевую зону или в другое место.

Таким образом, встал вопрос о создании синтетических материалов. Неорганическая составляющая — это биологический гидроксиапатит, поэтому существуют и были разработаны различные подходы по его синтезу. Первые работы начинаются в конце XIX — начале XX века. В этих работах использовали синтетический гидроксиапатит, или гидроксиапатит природного происхождения. Было показано, что данный материал является биосовместимым, его возможно применять при замещении дефектов костной ткани. В дальнейшем эти работы получили развитие в 60–70-х годах в том числе японскими исследователями. Аоки показал, что такие материалы при определенной структуре могут абсорбировать белки крови и таким образом могут служить для замещения тканей. Впоследствии мы пришли к тому, что данные керамические материалы получили достаточно широкое распространение в травматологии, ортопедии, в челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии.

Здесь нужно отметить следующий тренд: в 80–90-х годах использовали синтетический гидроксиапатит.

На данный момент в клинической практике его практически не используют. Почему это произошло? Потому что синтетический гидроксиапатит — это наиболее стойкий, нерастворимый материал в организме. А какая тенденция в материалах должна быть? У материала должны быть определенные свойства, эти свойства уже заложены, и они достаточно хорошо известны специалистам.

Первое — материал должен быть биосовместимым, то есть не отторгаться организмом человека. Второй из полагающих пунктов — материал должен биодеградировать, рассасываться, растворяться со временем и замещаться новообразованной костной тканью. Третий основной параметр — этот материал должен нести определенные механические нагрузки и, помимо всего этого, обладать определенной структурой, так называемой архитектоникой, пористостью, взаимосвязью пор, чтобы обеспечить васкуляризацию, потоки в этом материале.

Можно представить, что у нас есть какая-то определенная губка, которая позволяет в организме прорастать различными процессами. Поэтому гидроксиапатит на данный момент не применяется, и тенденция направлена на то, чтобы создать синтетический материал на основе тех же самых фосфатов кальция, которые будут наиболее биосовместимы с организмом и впоследствии будут биодеградировать и растворяться, но при этом замещаться костной тканью. Поэтому работы на данный момент направлены на различные фосфаты кальция, такие как трикальцийфосфат, октокальцийфосфат и предшественника октокальцийфосфата дикальцийфосфат дигидрат, с целью получения наиболее оптимальных материалов.

При этом любой материал является остеокондуктивным. Определение остеокондукции таково: материал служит матриксом, служит как бы лесом, подложкой для строительства тканей, но он не стимулирует рост костной ткани. Последняя тенденция — это создание биоинженерных конструкций, когда к определенному неорганическому материалу добавляется органическая составляющая. Это могут быть мезенхимальные мультипотентные клетки, морфогенетические протеины или последний тренд — использование генных конструкций. Но ключевым моментом является сам материал.

Как я уже сказал, костная ткань является неорганическим биологическим гидроксиапатитом, и поэтому все предпосылки идут к созданию керамических материалов. Но здесь нужно не упустить момент, что для создания таких материалов используют и полимеры, и металлы, и оксидную керамику. Например, в 60–70-х годах использовали различные стали и сплавы, но они не нашли широкого применения, так как они впоследствии капсулируются организмом и отторгаются.

Для инженерии костной ткани используют различные материалы: керамику, полимеры. Определенные перспективы представляет собой использование полимерных материалов, в отличие от керамики, так как керамика по своей природе является хрупкой, особенно кальцийфосфатная керамика — ее прочность при сжатии, при растяжении не достигает требуемых значений, которые сравнимы с костной тканью у пациента. Поэтому другой путь развития биосовместимых материалов — это создание биополимерных конструкций для этих же целей. В основном используют материалы на основе двух классов — это условно биополимеры и синтетические материалы. Яркий представитель синтетических материалов — это полилактиды, которые используются в данном направлении.

В отношении биополимеров можно перечислить такие материалы, как коллаген, полисахариды. Полисахариды включают в себя различные хитозаны, альгинаты и, допустим, пектин. Это наиболее представительные классы биополимеров, которые используются для создания как имплантатов, так и матрикса для носителей различных биоактивных веществ.

Полимеры обладают достаточно большим преимуществом: изменяя или взаимодействуя, играя с молекулярным весом, с технологиями обработки, полимеризацией, минерализацией этих полимеров, можно создать материалы с достаточно высокими прочностными свойствами, допустим, с заданной эластичностью. Определенные перспективы представляет собой создание эластичных губок. Можно представить себе так: полимер растворяется в водном растворе, потом вспенивается со специальным вспенивающим агентом, замораживается через лиофильную сушку, чтобы убрать воду, и у вас получается губка. Эта губка эластична, и эластичность составляет до 80–90%. Таким образом, этот эластичный материал можно поместить, допустим, в дефект, где эта губка распрямится и займет полный объем этого материала.

Другой путь — это создание композиционных материалов на их основе, то есть на основе керамики и на основе органических полимеров, таких как коллаген.

Существует несколько технологий. Они достаточно широко применяются в создании этих материалов. Одна из самых примитивных, которая используется уже достаточно давно, — это механическое смешение полимера, допустим, с керамическим порошком или агломератами. Таким образом, создается композит, который армирован, полимер армирован частицами фосфатов кальция. Есть обратная технология, когда используют керамический каркас, который пропитывают полимером, таким образом упрочняют саму керамику и обеспечивают определенный слой по поверхности пор керамического материала.

Есть третий альтернативный подход, который развивается достаточно недавно, — это использование так называемых аддитивных технологий, когда с использованием быстрого прототипирования — это может быть стереолитография, печать — можно создавать по моделям определенные материалы, а также их композиты с использованием как полимеров, так и керамики, то есть послойное создание образов на основе определенной информации.

Самый простой пример: пациент, он попал в госпиталь, в медицинское учреждение, у него проблема с дефектом, ему нужно заместить этот дефект каким-то определенным материалом. Ему в этом учреждении делается компьютерная томография или ЯМР-томография, по данным снимка создается компьютерный образ, подается данный сигнал на принтер, и условный принтер печатает запасную часть, запасное изделие для человека.

И в принципе это на данный момент реализуется в различных направлениях, и это не является таким отдаленным будущим, это ближайшее будущее. Ведутся различные разработки в данном направлении — как по созданию просто керамических материалов путем струйной трехмерной печати, так и по созданию материалов на основе полимеров с использованием подходов стереолитографии — один из самых ярких примеров. Данные материалы находятся на уровне научно-исследовательских работ, поэтому в перспективе возможно создание таких материалов, которые могут быть просто напечатаны на каком-то определенном принтере с использованием определенных моделей и образов.

Источник: https://postnauka.ru