Технологии персонализированных материалов медицинского назначения для восстановления и регенерации тканей
- Перейти к Медицина | Перейти к новостям научных достижений
Важнейшей задачей современности является увеличение продолжительности и улучшение качества жизни людей. В связи с этим, сегодня предъявляются все более высокие требования к качеству медицинского обслуживания, что, в свою очередь, требует разработки новых подходов к лечению пациентов, внедрения новых технологий и, связанной с этим, разработки новых материалов. Как и ранее, значительная часть населения подвержена различным поражениям костных тканей скелета, связанным с их патологической деградацией (остеопорозом), воспалительными процессами и онкологией. В развитых странах число пациентов с хроническими заболеваниями такого рода достигает около 50 % от населения старше 50 лет.
В соответствии с прогнозами, в результате увеличения продолжительности жизни и прироста населения число пожилых людей удвоится к 2020 г. Лечение заболеваний костных тканей, особенно злокачественных опухолей (таких, как, например, остеосаркома), часто связано с хирургическим вмешательством, как правило, приводящим к обширным послеоперационным дефектам. Поэтому серьезной проблемой является восстановление нарушенных функций отдельных органов частей скелета и всего опорно-двигательного аппарата.
Особую проблему представляет разработка новых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма. Еще более востребованы специализированные биосовместимые изделия для сформировавшегося в последние годы нового направления – регенеративная медицина, связанного с разработкой биоискусственных тканей. Исследования в области материалов медицинского назначения выступают одним из актуальных направлений, соответствуют задачам и уровню развития науки, технологий и техники РФ и перечню критических технологий «Технологии создания биосовместимых материалов». Разработка новых биосовместимых материалов и создание специализированных биомедицинских изделий из них становится лидирующим направлением исследований и коммерциализации в настоящее время. Ежегодный бюджет медицинских центров в Европе, США и Японии, занимающихся проведением фундаментально-прикладных исследований в области тканевой инженерии, составляет сотни миллионов долларов США. В то же время, в России производство функционально-ориентированных биоматериалов нового поколения находится все еще в зачаточном состоянии, а промышленные технологии изготовления из них инженерных конструкций для регенерации костных дефектов различной этиологии и объема практически отсутствуют.
Наиболее перспективным подходом к ее решению является создание персонализированных конструкций на основе материалов и структур, обеспечивающих эффективность процессов неоостеогенеза in vivo в организме человека. На основании накопленного клинического опыта, биологических знаний и опыта работы с биоматериалами были сформулированы основные общие требования к биоматериалам, а именно: соответствовать костной ткани по минеральному составу и механическим характеристикам; иметь кинетику биодеградации (растворения), коррелирующую с кинетикой образования костной ткани de novo (для биодеградируемых материалов); быть остеокондуктивными, а в идеальном случае – и остеоиндуктивным, т.е. формирующим биологические стимулы для остеогенеза, и быть пригодным для комбинирования с биологически активными компонентами, усиливающими регенеративный потенциал имплантируемой системы. Требованию биологической совместимости и остеокондуктивности удовлетворяют материалы на основе синтетических форм фосфатов кальция – биокерамика и различные природные и синтетические полимеры. Для изготовления персонализированных трехмерных структур заданной архитектуры из таких материалов в мире все чаще используют технологии аддитивного производства (в частности, технологии 3D печати), основанные не на удалении материала (точение, фрезировка и т.п.) или изменения формы заготовки (деформация, штамповка и т.п.), а на его постепенном наращивании (добавлении) в заданной области пространства. Эти технологии базируются на послойном формировании объемных изделий по их трёхмерным компьютерным образам. К сожалению, на сегодняшний день в Российской Федерации имеются лишь единичные и разрозненные работы, направленные на решение выше указанных проблем, например, можно привести наиболее яркие исследования по данной тематике, проводимые в Российской Академии наук, НИТУ МИСиС, 3D Bioprinting Solutions.
Методология аддитивного производства достаточно проста и включает в себя: создание компьютерной модели, требуемого материального объекта; разделение компьютерной модели на слои; последовательное слой за слоем изготовление твердого 3D объекта требуемых размеров, формы и внутренней структуры с применением различных физико-химических методов, например: лазерная стереолитография, селективное лазерное спекание и т.д. Модель может быть сконструирована при помощи различных программ трехмерного проектирования с последующим преобразованием полученных файлов в форматы, используемые для формирования изделия на соответствующих машинах аддитивного производства. Кроме того, в качестве исходной модели могут быть использованы оцифрованные объекты, полученные на различных сканирующих системах. Полученная оцифрованная информация после соответствующего преобразования может быть использована для послойного изготовления точной или скорректированной копии требуемого органа или его фрагмента из выбранных биосовместимых материалов. Оцифрованная информация может быть также передана как на жестких носителях, так и по Интернету, непосредственно, в управляющий компьютер системы быстрого прототипирования.
Преимущество быстрого прототипирования становится особенно очевидным при его использовании в сочетании с современными методами медицинской диагностики. Так, трехмерная модель органа или фрагмента ткани реального пациента может быть получена, например, на рентгеновском томографе, и затем оперативно изготовлена ее точная копия или копия, пригодная для имплантации без дополнительной подгонки. В процессе изготовления образца в него можно дополнительно ввести или убрать определенные детали, создать требуемую архитектуру, в том числе и с градиентной пористостью. При этом весь процесс от начала получения томограммы до окончания изготовления имплантата может занять всего около нескольких часов.
Среди наиболее разработанных на сегодняшний день методов быстрого прототипирования и технологий аддитивного производства, позволяющих использовать в качестве исходных материалов различные керамические и полимерные материалы, следует, в первую очередь, выделить трехмерную 3D печать, в процессе которой головка струйного принтера перемещается по заданной компьютером траектории равномерно распределяя материал. Технологии 3D печати позволяют получать индивидуальные имплантаты и матрицы для тканеинженерных конструкций с помощью CAD/CAM данных с минимальными затратами времени, высокой воспроизводимостью, точной геометрией и заданной структурой.
До недавнего времени, согласно литературным данным, было опубликовано относительно небольшое количество работ посвященных исследованиям, направленным на разработку технологий трехмерной печати биокерамических и полимерных материалов для восстановления костных дефектов различного генеза. Это, в первую очередь, было обусловлено проблемами, связанными с разработкой исходных материалов: мелкодисперсных порошков на основе фосфатов кальция с требуемыми физико-химическими, механическими и реологическими характеристиками, а также жидких связующих (“чернил”) определенного химического состава и вязкости. Однако, в последние годы, в связи с “взрывным” развитием в мире материально-технической базы трехмерной печати и стремительно возросшим количеством исследовательских групп, вовлеченных в этот процесс, количество работ и многообещающих результатов в области создания оптимальных материалов для реальных технологий аддитивного производства индивидуальных имплантатов на основе керамики и полимеров для направленной регенерации костной ткани резко возросло. В значительной степени, уже достигнутый успех зарубежных разработчиков в создании биорезорбируемых материалов, содержащих в качестве биологически активных компонентов рекомбинантные факторы роста или «живые» клетки. При этом и белки, и клетки, как активные компоненты биорезорбируемых материалов имеют рядом недостатков. Факторы роста быстро высвобождаются из структуры материала и подвергаются протеолизу в условиях операционной раны, то есть являются «короткоживущими», а также характеризуются короткодистантностью. Клетки, в свою очередь, нуждаются в оксигенации, из-за чего после трансплантации в условиях ишемии реципиентного ложа большая часть их гибнет. При этом полноценное производство персонализированных тканеинженерных материалов в случае наиболее эффективного варианта – использования аутогенных клеток – невозможно, так как технологически сопряжено с клеточным сервисом, предопределяющим, своего рода, двойную персонализацию изделия (применение клеток пациента и индивидуально изготовленного матрикса-носителя), а регистрация в условиях современного законодательства затруднена.
В этом аспекте следует отметить пионерские работы, проводимые российской биотехнологической компанией ПАО «ИСКЧ» по генным конструкциям (нуклеиновые кислоты с генами, кодирующими ключевые остеоиндуцирующие факторы). Механизм действия генных конструкций заключается в высвобождении из структуры носителя, поступлении в клетки-мишени (в области костного дефекта), экспрессии в них, в результате которой клетки начинают работать как «биореакторы» терапевтического белка (кодируемого генной конструкцией), который в свою очередь и обеспечивает биологический эффект. За рубежом данные исследования начаты сравнительно недавно - лишь последние 3-5 лет. На данный момент активность исследований и коммерческий интерес возрос в наибольшей степени, что связано, по всей видимости, с интенсификацией и актуализацией генной терапии в целом и регистрацией первых генных препаратов. В большинстве опубликованных результатов экспериментальных исследований, посвященных разработке ген-активированных материалов, авторами позиционируется более высокая эффективность в замещении костных дефектов по сравнению с группами контроля.
Таким образом, учитывая, с одной стороны, увеличивающуюся в последние годы среднюю продолжительность жизни и развитие материально-технической и технологической базы медицинских клиник, а с другой стороны, высокий травматизм и, связанную с этими факторами, необходимость проведения большого количества хирургических манипуляций, разработка таких материалов и технологии трехмерной печати из них персонализированных конструкций как для направленной регенерации костной тканей, так и других тканевых эквивалентов может послужить решением многих проблем в области ортопедии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии, онкологии в ближайшей перспективе.
Работа поддержана грантом РНФ 15-13-00108 Персонализированные генно-инженерные конструкции для регенерации костных тканей.
Исследования в данном направлении в составе научного коллектива ведет Владимир Комлев, доктор технических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Института металлургии и и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.
По материалам журнала Forbes Online
Latest from Super User
- На ХХ Международной научно-практической конференции «Наступившее будущее: новые форматы, смыслы и сущности образования» обсудили результаты исследований, проведенных научной коллаборацией «Зеленая экономика. Зеленые финансы»
- Член-корреспондент РАН Андрей Наумов: «Спектроскопия — это зрение современной науки»
- «Тихий кризис планеты». Интервью с профессором РАН Еленой Дергачевой
- Шенкарёв Захар Олегович
- Попов Василий Николаевич