Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год
В феврале 2022 года состоялось награждение молодых учёных — лауреатов премии Правительства Москвы. Премии за достижения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, способствующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы, присуждаются ежегодно. В апрельском номере журнала рассказывалось об исследованиях и разработках нескольких лауреатов 2021 года (см. «Наука и жизнь» № 4, 2022 г.). Представляем ещё три работы.
Композиты для костных имплантатов
Некоторые травмы и болезни костей, суставов, кожи приводят к потере фрагментов этих органов, что нередко влечёт за собой инвалидность пострадавшего человека. Избежать инвалидности помогает реконструктивная медицина — восстановление утерянного или разрушенного костного, хрящевого или кожного фрагмента с помощью искусственных имплантатов.
На сегодняшний день реконструктивная медицина достигла очень неплохого уровня благодаря новым материалам, из которых изготавливают имплантаты, и технологиям, позволяющим получать изделия сложной формы, точно отвечающие конфигурации замещаемого дефекта, и, конечно, таким методам диагностики, как МРТ и КТ, с помощью которых эти сложные формы выявляют. Требования к замещающим изделиям известны: они должны быть совместимы с организмом человека, то есть не отторгаться и не быть для него токсичными, и обладать определёнными механическими свойствами — прочностью, пластичностью, стойкостью к циклическим нагрузкам. Кроме того, очень желательно, чтобы имплантаты постепенно распадались (деградировали, этот процесс называется биорезорбцией) в живом организме, впоследствии замещаясь на собственную новую костную, хрящевую или кожную ткань. Эта новая концепция, пришедшая взамен концепции замещения, называется инженерией костной ткани.
Суть тканевой инженерии — регенерация биологических тканей при помощи несущих конструкций (матриксов) из биорезорбируемого материала в сочетании с донорскими клетками или биоактивными веществами (например, противомикробными лекарствами, белками). На этом матриксе, который имплантируют в повреждённый орган или ткань, и будет наращиваться новая собственная ткань.
Материал для матрикса должен обеспечивать надёжную опору в зоне повреждения в период регенерации, обладать структурообразующими свойствами, противостоять сжимающим напряжениям, которые могут возникать при «засеивании» его клетками на стадии до имплантации и при прорастании в него клеток уже внутри организма. При этом донорские клетки и биологически активные вещества (в случае их использования) должны иметь хорошее сцепление с его поверхностью, то есть обладать хорошей адгезией. Адгезивные свойства матрикса обеспечиваются определённым химическим составом материала.
Сегодня немалые надежды в регенеративной медицине возлагают на материалы на основе фосфатов кальция, которые по своему составу довольно близки к натуральной костной ткани. Помимо того, что они не вызывают отрицательных иммунных реакций, продукты их распада нетоксичны для организма. Исследователи работают над созданием таких материалов, биорезорбция которых идёт со скоростью, близкой к скорости образования новой костной ткани. Причём акцент делают на керамических материалах, обладающих подходящими механическими свойствами.
Подобными исследованиями занимаются в Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН). Сотрудники института, среди которых кандидат технических наук Маргарита Гольдберг и кандидат технических наук Анастасия Тетерина, разработали технологии получения новых композитных материалов для многих медицинских применений. В их числе остеопластические материалы на основе фосфата кальция. Прежде чем приступить собственно к разработкам технологий, материаловеды сосредоточились на исследовании того, как состав и структура материалов оказывают влияние на их способность к образованию нужной формы (то есть на формообразование), как могут влиять на свойства конечного продукта условия его получения, например, температура, а также те или иные микродобавки.
Созданные в ИМЕТ РАН кальций-магний-фосфатные материалы с новыми составами, получаемые по новой технологии синтеза в одном сосуде, имеют пастообразную консистенцию и не требуют предварительного механического смешения порошков компонентов — это существенно упрощает их применение для замещения дефектов костной ткани. Да и их механические свойства и биологический отклик стало легко прогнозировать, что не скажешь про классические кальций-фосфатные цементные материалы. Многие же свойства новых материалов (физико-химические, время схватывания, прочность, растворимость в организме) оказались лучше мировых аналогов.
Инновационные материалы с введённым в них антимикробным препаратом ванкомицином испытали на мелких лабораторных животных. Антимикробные препараты нужны для предотвращения возможных воспалительных процессов после им-плантации искусственных заместителей. причём если эти препараты вводить непосредственно в имплантат, то лекарство будет доставляться непосредственно в поражённый участок. Эксперименты показали, что новые композиты обладают остеокондуктивными свойствами, то есть способны служить каркасом, к которому костные клетки (остеобласты и остеокласты) могут прикрепляться, мигрировать на нём, расти и делиться.
Структуру материала можно менять, добавляя в него примеси (допирующие добавки). В случае материалов на основе фосфатов кальция речь идёт о литии, алюминии, железе. А изменение структуры влечёт за собой и изменение свойств. Сотрудники ИМЕТ РАН разработали методы синтеза порошков катион-замещённых фосфатов кальция с наноструктурой и мезопорами, обладающих очень большой, даже рекордной удельной поверхностью (до 195 м2/г), и получили материалы, перспективные в качестве носителей лекарственных веществ и других биоактивных молекул.
Применение в совсем другой области — в качестве катализатора для очистки нефтепродуктов от серы — нашли синтезированные железо-замещённые мезопористые материалы на основе гидроксиапатита (формула Ca10(PO4)6(OH)2). Серосодержащий компонент нефти (дибензотиофен) в присутствии такого катализатора подвергается 100%-ной конверсии за 25—30 минут. Такие результаты продемонстрированы впервые в мире.
В реконструктивной медицине помимо «чисто» магний-фосфатных материалов всё больший интерес вызывают композиты с биосовместимыми полимерами. Как пояснила Анастасия Тетерина, биополимер-фосфаты кальция предназначены для дефектов с меньшей механической нагрузкой, чем магний-фосфатные материалы, например для замещения хрящевой ткани. Такие материалы обладают более высокой пористостью и скоростью резорбции, а значит, быстрее протекают процессы васкуляризации (образования сосудистой сети) и замещения. Очевидно, что благодаря использованию трёхмерной печати можно получать имплантаты с архитектурой, очень точно повторяющей архитектуру дефекта. Для этого сначала получают трёхмерную модель требуемого фрагмента ткани пациента с помощью, например, рентгеновского компьютерного томографа и затем оперативно изготавливают её точную копию из композита. В поверхность композитного материала можно дополнительно вводить лекарственные средства, факторы роста (это называется биоинспирированием поверхности) — для их локальной доставки в операционную область. Биоинспирирование поверхности материалов обеспечивает сорбцию биологически активных веществ из биологических жидкостей организма, то есть служит своего рода залогом качественной интеграции имплантата с окружающими тканями и быстрого формирования собственного костного эквивалента.