Ученые ПНИПУ и БФУ создают композиционные костные имплантаты

Научная команда усиливает структуры из коллагена, получаемого из отходов рыбной промышленности, добавками гидроксиапатита — основного минерала костных тканей. Получаемые материалы можно использовать в качестве биочернил для 3D-печати костных имплантатов.

Для успешной установки зубных имплантатов зачастую требуется предварительное наращивание костной ткани. В стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ежегодно проводится более шестидесяти тысяч таких операций, еще сотни тысяч хирургических вмешательств по восстановлению костей требуются после сложных переломов, травм, удаления опухолей.

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта поучаствовали в создании материала, который имитирует структуру живой кости, безопасно интегрируется с тканями и запускает естественный процесс восстановления, становясь прочной основой для роста тканей. Для этого они выбрали морской коллаген, его можно выделить из отходов рыбной промышленности, но в России для подобных целей он еще не используется. Это открывает путь к созданию нового поколения медицинских имплантатов, сообщает пресс-служба ПНИПУ на портале «Научная Россия».

До сих пор самый надежный способ наращивания костей — пересадка собственных тканей пациентов, однако это приводит к образованию новых, часто очень болезненных операционных ран и повышает риск осложнений. Также после серьезных травм, сложных операций по удалению опухолей, при уменьшении объема кости после потери зубов своего ресурса может не хватать. Тогда врачи обращаются к искусственным заменителям, однако они производятся из синтетических материалов или костных тканей других организмов. Иммунная система не всегда способна принять эти чужеродные материалы, что может приводить к воспалению и повышать риск отторжения и развития опухолевых заболеваний.

В качестве безопасной и естественной для организма альтернативы можно использовать коллаген — основной строительный белок организма, из которого состоят кожа, кости, хрящи и связки. По своей химической природе этот компонент идеально подходит для медицинских целей: организм хорошо воспринимает его, он постепенно рассасывается, уступая место новой ткани пациента. В то же время коллагену не хватает прочности. В чистом виде он не сможет заменить твердые ткани — кость или зубную эмаль. Для этого необходимо вводить гидроксиапатит — основной минерал натуральных костей.

Соединить мягкий органический белок с твердым минералом в единый, прочный материал — сложная технологическая задача. Обычные методы химического сшивания разрушают нежную структуру коллагена, лишая его биологической активности, или используют токсичные вещества, которые остаются в материале и вредят клеткам.

В качестве основы для биоматериала традиционно используют коллаген из тканей крупного рогатого скота или свиней. Несмотря на доступность, он часто вызывает аллергические реакции и несет риск передачи инфекций, а также может быть неприемлем для пациентов определенных культур и религиозных традиций.

Ученые ПНИПУ и БФУ предложили использовать универсальную и этически нейтральную альтернативу — гипоаллергенный и полностью безопасный морской коллаген из биомассы медуз или кожи судака. Это превращает доступные отходы рыбной промышленности в ценное сырье, что делает подход безвредным, этичным и экономически выгодным. Сейчас его уже используют, например, в косметологии, но для производства заменителей костной ткани в России не применяют.

После выделения коллаген смешивали с водой до состояния геля, а затем соединяли с гидроксиапатитом, экспериментальным путем подбирая оптимальное соотношение компонентов. В ходе исследования ученые сравнили два принципиально разных метода сшивания коллагена с гидроксиапатитом — соединение с помощью глутарового альдегида и современную биосовместимую систему EDC/NHS.

Для объективного сравнения двух методов ученые проанализировали микроструктуру получившихся материалов, целостность коллагена и биологическую устойчивость к разрушению в организме. Чтобы проверить, как сшивание повлияло на структуру коллагена, исследователи применили инфракрасную спектроскопию и обнаружили, что с помощью сшивания EDC/NHS можно сохранять природную структуру коллагена, снижая риски отторжения. 

«Новый метод EDC/NHS формирует структуру с равномерно распределенными частицами средним размером восемь микрометров, что вдвое меньше, чем при использовании глутарового альдегида — пятнадцать микрометров. Такая структура с мелкими, равномерно распределенными частицами точнее повторяет архитектуру натуральной кости и создает оптимальные условия для интеграции имплантата с живыми тканями», — рассказала старшая научная сотрудница научно образовательного центра «Промышленные биотехнологии» БФУ Юлия Куликова.

Чтобы изучить, как долго материалы смогут противостоять естественному разрушению в организме, специалисты использовали фермент коллагеназу. Это вещество, которое наши клетки выделяют при заживлении ран и обновлении тканей. Тест имитировал реальные условия, в которых окажется имплантат после установки. При обработке материал, сшитый EDC/NHS, высвободил всего 0,015 ммоль продуктов распада, тогда как соединенный глутаровым альдегидом — 0,385 ммоль. Это означает, что созданный новым способом имплантат сможет значительно дольше сохранять структуру в организме и выполнять роль прочной основы для роста костных тканей.

«Это исследование открывает путь к созданию нового поколения биомедицинских материалов. На основе технологии можно будет производить целый ряд медицинских продуктов — от биоматериалов для наращивания кости в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии до специализированных биочернил для 3D-печати индивидуальных имплантатов сложной формы», — прокомментировал младший научный сотрудник лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Илья Виндокуров.

Доклад научной команды опубликован в издании Biomedical and Biotechnology Research Journal.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.