Новости

27 марта, 2023 13:58

В переломный момент. При травме костей поможет конструкция из композита

Источник: Поиск
Пройдет несколько лет, и в персонифицированной медицине произойдет форменный прорыв. В особо трудных случаях переломов на помощь медикам придет, не побоимся громких слов, суперсовременная технология. Причем разрабатывает ее не известная крутая фармкомпания, а университет. И даже не технический, а классический – Балтийский федеральный им. Иммануила Канта. Рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, директор научно-образовательного центра «Умные материалы и биомедицинские приложения», кандидат физико-математических наук Валерия Родионова:

Источник: Поиск

– К нашему методу медики будут обращаться в самых сложных случаях, когда в результате травм кости оказываются раздробленными и сами уже не срастутся. Обычно их скрепляют титановыми конструкциями. Мы же разрабатываем каркас из композитных материалов, который покрываем напечатанными на 3D-принтере фрагментами костной ткани. Этот композитный материал, стимулирующий рост и превращение клеток, представляет собой матрицу, по твердости и пористости схожую с костью, в которую помещены два вида наполнителей: ферромагнитный и пьезоэлектрический. Отличается от костной ткани матрица относительно бÓльшим электрическим откликом на механическое воздействие. У нашего композита – мультиферроика – электрическими свойствами может управлять магнитное поле путем передачи механических воздействий от одной компоненты к другой. А с помощью модифицированных аддитивных технологий мы можем напечатать изделие любой формы, величиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Отмечу, что впервые разрабатываемый трехкомпонентный композит, ускоряющий процесс восстановления пациентов, получил поддержку Российского научного фонда – грант 21-72-30032 («Разработка и исследование мультиматериалов с магнитными нанокомпонентами для аддитивных 3D-5D-технологий»).

Во время лабораторных исследований мы берем из жировой ткани пациента мезенхимальные стволовые клетки и помещаем на каркас из композита. Воздействуем на конструкцию магнитным полем и изучаем влияние возникающего электрического напряжения (твердости, морфологии поверхности) на скорость превращения стволовой клетки в костную. Наша методика ускоряет процесс срастания костей и восстановление пациента.

Композитные материалы сегодня – это крылья для самолетов, космическая техника, а в медицине – совершенные протезы и импланты. Так, разработка композитов и совершенствование методов изготовления из них изделий (в нашем случае имплантов) заданной формы с помощью аддитивных технологий стали одной из актуальных задач современности, ведь продолжительность жизни человека увеличивается, как, увы, и хрупкость его костей.

– Если сравнить вашу технологию с зарубежными?..
– Наш коллектив всего три года назад начал разрабатывать эту очень перспективную тему и в то время был одним из первых в мире. Но сегодня у нас много конкурентов. Идея создания композита, имитирующего наличие стволовых клеток в организме, необыкновенно привлекательна. Эта технология не только ускорит процесс превращения клеток, но и существенно удешевит его, ведь сейчас для дифференцировки стволовых клеток используют дорогостоящие ферменты. Но говорить, насколько эффективнее и экономичнее станет наш метод в недалеком будущем, пока рано. Нам необходимо провести фундаментальные и прикладные исследования и ряд медицинских испытаний. От исследований в пробирке мы должны перейти к исследованиям на человеке и убедиться, что с помощью наших биосовместимых, не отторгаемых организмом материалов можно получать здоровую костную ткань и залечивать переломы.

– Как получилось, что вы взялись за создание этой суперсовременной технологии?
– Я закончила кафедру магнетизма физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Занималась материалами, свойствами которых можно управлять с помощью магнитного поля. Направление очень перспективное, поскольку может найти применение в биомедицине. Защитила диссертацию под руководством профессора Н. Перова и уехала в Университет Страны Басков. Занимала позицию исследователя (PostDoc) в лаборатории, разрабатывающей магнитные материалы, возглавляемую профессором А. Жуковым. Затем тогдашний ректор Балтийского университета Андрей Павлович Клемешев предложил мне организовать и возглавить лабораторию по созданию магнитных материалов. Предложение неожиданное, очень интересное, однако принять его мне было страшновато. Но меня поддержали родные, а также коллеги с кафедры магнетизма, и я решилась. Так, 11 лет назад я оказалась в Калининграде, однако поддерживаю контакты с коллегами из МГУ. Мы ведем общие проекты, и студенты БФУ регулярно стажируются в Москве. Университет в Калининграде произвел на меня сильное впечатление своей молодостью и дерзостью. Передо мной открывались необыкновенные перспективы: ставить и решать амбициозные задачи, одновременно занимаясь чисто хозяйственными вопросами, например, выбором и закупкой оборудования. Со временем из одной лаборатории образовался центр, разрабатывающий сразу несколько направлений: композитные материалы, наномагнетизм и математическое моделирование. Руководство университета нас поддерживает, и мы успешно развиваемся.

– Вы сказали, что у вас есть грант РНФ. Можно подробнее?
– Грант на четыре года мы получили в 2020-м, к работе приступили в 2021-м. Задачу он ставил перед нами такую: разработать и исследовать мультиматериалы с магнитными нанокомпанентами для аддитивных технологий. На некоторых позициях у нас не было специалистов, но мы нашли их в Москве и Махачкале, пригласили к сотрудничеству итальянских коллег, но, увы, оно быстро закончилось. На средства гранта приобрели нужные принтеры, закупили необходимые компоненты для изготовления материалов и сейчас работаем над математическими моделями композитов. Ездили на конференции с докладами о наших исследованиях. Статьи о перспективах нашего метода печатаем в ведущих профильных журналах. Всего вышли примерно 15 публикаций, вызвавших немалый отклик. За эти несколько лет у нас сложилась превосходная команда примерно из 30 человек. Приблизительно половину составляют аспиранты и студенты, которых благодаря гранту мы поддерживаем материально. С уверенностью могу сказать: без финансирования РНФ наш коллектив вряд ли бы так далеко продвинулся в создании этого очень перспективного материала и технологии его изготовления. Мы рассчитываем на продление гранта еще на два года, поскольку должны, что называется, набрать статистику – провести сложные биологические эксперименты со стволовыми клетками и вживлением в них каркаса из биосовместимого композита. В ближайших планах еще и модернизация принтера для 3D-печати, чтобы воспроизводить сложные детали из композитов.

– Будет ли востребован ваш метод: не окажется ли он слишком дорогим и сложным для освоения?
– Медики в курсе наших работ, приветствуют их продвижение и рассчитывают, что наши технологии окажутся более дешевыми и эффективными по сравнению с химическими. Их не пугает перспектива печатать на 3D-принтере различные детали конструкций, тем более что делать их будут не они, а, скажем, фармтехнологи. Наша же задача – добиться, чтобы выполнять эту операцию можно было на стандартных 3D-принтерах. В этом случае создание конструкций для лечения переломов не будет такой уж трудной задачей и, добавлю, дорогой. Этим мы сейчас и занимаемся.

Теги
Интервью
29 февраля, 2024
Вулкан как фабрика тепла. Геофизики предлагают новые способы электрификации городов
Вулканы уже сыграли неожиданную роль в истории человечества. Можно упомянуть провал реформ Бориса Го...
12 февраля, 2024
Олег Астафьев: «Квантовая акустика появилась благодаря сверхпроводниковым искусственным атомам»
Квантовые технологии — наше фантастическое будущее? О том, заменит ли электроника, работающая с од...