В ТПУ создали имплантат для восстановления костей с помощью электростимуляции

Ученые Томского политехнического университета разработали технологию производства 3D-печатных биоэлектрических имплантатов, помогающих восстанавливать сложные дефекты костей. Под воздействием магнитных полей материал вырабатывает слабые электрические сигналы, похожие на естественные сигналы живых тканей. Лабораторные исследования показали, что такие имплантаты ускоряют образование костных тканей за счет стимуляции роста нервных волокон и кровеносных сосудов.

Для полноценного восстановления костей после травм или операций необходимо, чтобы в восстанавливаемых зонах появлялись не только новые костные ткани, но и нервные и сосудистые сети. Одним из перспективных подходов к эффективной регенерации считается электрическая стимуляция, имитирующая биоэлектрические свойства костей: в естественных условиях они достигаются за счет механической нагрузки, при которой возникают слабые электрические сигналы, помогающие клеткам «понимать», где и как нужно восстанавливать ткани. Традиционные подходы к электрической стимуляции требуют внешних источников питания, что делает метод инвазивным и повышает риск осложнений.

Ученые Томского политехнического университета совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали имплантат, способный генерировать электрические сигналы прямо в зоне дефекта под воздействием магнитных полей, сообщает пресс-служба вуза. Опорная структура имплантата (скаффолд) напечатана на 3D-принтере биосовместимым гидрогелем из желатин-метакрилата и встроенных магнитоэлектрических наночастиц.

«Наночастицы имеют тип «ядро-оболочка»: в центре частицы находится магнитострикционное ядро из феррита марганца, снаружи оно покрыто пьезоэлектрической оболочкой из перовскита — модифицированного титаната бария. Под воздействием магнитного поля ядро слегка деформируется, а оболочка превращает эту механическую деформацию в электрический сигнал. Именно он и запускает клеточные процессы. То есть наши имплантаты одновременно выступают в роли временной опоры для клеток и активной биоэлектрической платформы, которая активирует нервные клетки, усиливает межклеточное взаимодействие, поддерживает образование сосудов и направляет клетки для формирования костной ткани», — рассказал доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.

Систематическое исследование in vitro показало, что 3D-печатные магнитоэлектрические скаффолды под воздействием слабого переменного магнитного поля способствуют остеогенной дифференцировке стволовых клеток костного мозга и созреванию шванновских клеток. Магнитоэлектрическая стимуляция повышает внутриклеточную концентрацию Ca2+ в 1,83 раза и уровень TGF-β в 1,54 раза, активируя сигнальные пути PI3K-AKT и BMP, а также повышает экспрессию нейротрофических факторов (GDNF, BDNF, NGF) для стимуляции нейрогенеза.

Исследования in vivo на дефектах бедренной кости у мышей показали признаки раннего роста нервных клеток и запуск развития костных тканей через две недели, а через восемь недель — выраженное восстановление костных тканей и прорастание нервов и сосудов. Магнитоэлектрическая стимуляция ускорила формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а костной ткани — в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.

«Главным преимуществом нового подхода к регенерации тканей является совмещение технологий 3D-печати и использование беспроводной электрической стимуляции в одной платформе, воспроизводящей внеклеточный матрикс поврежденных тканей человека и состоящей из биорезорбируемого полимерного материала на основе желатина и биосовместимых магнитоэлектрических наночастиц. В перспективе подобные 3D-платформы можно использовать для восстановления не только костей, но и других сложных тканей, где важно управлять сразу несколькими процессами — ростом клеток, сосудов, нервов и межклеточным обменом», — рассказал директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Сурменев.

В исследовании приняли участие ученые международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета, Шанхайского института керамики, Университета Китайской академии наук, Томского государственного университета, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН, Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» и португальского Авейруского университета.

Исследование выполнено при грантовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

Источник: Томский политехнический университет

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