Умные материалы: идеальный имплантат
Люди пока не научились выращивать кости с помощью медицины. Но вот заменить настоящую кость на искусственную, имплантат, вполне реально. В каких случаях нужны искусственные кости, которые смогут заместить участок натуральной? Обширные переломы; болезни, изменяющие структуру костей, например остеосаркома.
Как же сделать так, чтобы имплантат идеально человеку подходил, идеально приживался в его организме?
В этом материале мы приводим расшифровку лекции кандидата ­физико-математических наук, директора Центра биомедицинской инженерии Федора Сенатова, впервые опубликованной на портале проекта «Нау».
Что может заменить кость

Имплантаты, которые ставятся человеку, чаще всего не похожи на кость. Представьте суповую косточку. У нее есть внешний слой — он прочный. А внизу, под ним находится пористый рыхлый слой, это называется губчатая кость. Сплошной внешний слой, который может нести на себе нагрузку, — это кортикальная кость, настоящая, она неоднородна. В этом заключается проб- лема: архитектура имплантата отличается от архитектуры кости. Поэтому имплантаты часто слабо интегрируются в ткани организма. Если имплантат начал прорастать, например костной тканью, то можно сказать, что все успешно срослось. Желательно, чтобы имплантат участвовал в жизнедеятельности организма, а не был просто инертным металлическим предметом внутри человека. Ломаются руки — это переломы трубчатых костей. Ломается свод черепа, таза, ребра — это плоские кости. Для каждого случая желательно иметь отдельный имплантат. Так что появляются разные требования, предъявляемые к имплантатам.

Гидроксиапатит — это минеральное соединение кальция и фосфора.
Из чего состоит имплантат

Как же создать идеальный имплантат? Нужно подобрать определенный химический состав. Кости состоят из коллагеновых волокон, которые придают им упругость, и гидроксиапатита. Гидро- ксиапатит — это минеральное соединение кальция и фосфора. Поэтому, когда нам наши мамы, папы, бабушки, дедушки говорят: «Ешь рыбу, там фосфор», — в этом есть смысл.

Фосфор — это, так же как и кальций, химическая основа костей. Существуют полимерные материалы, которые в организме человека постепенно разлагаются. Разлагаясь, они уходят, обнажают соединения кальция и фосфора, которые могут помогать созданию костной ткани при построении новой кости. Имплантаты из таких материалов называются биорезорбируемыми, биоактивными. Они постепенно рассасываются и замещаются новой собственной костью. Это используется в челюстно- лицевой хирургии, где надо замещать небольшие участки костей.

Повторяющиеся структуры

Необходимо также воспроизвести микроструктуру кости. Тут нам помогает биомиметика. Биомиметика — это область науки, которая занимается


Взять, к примеру, высокопористый полимер: это может быть на 90% воздух и на 10% полимер, который похож на настоящую кость. Зачем это нужно? Если мы хотим сделать так, чтобы кость максимально срасталась с имплантатом, нам нужно сделать так, чтобы в имплантат приходили клетки. Клетка не будет жить там, где ей некомфортно. Если клетки хорошо живут в имплантате, то они делятся, растут, в нем постепенно начинает расти настоящая кость.

В поре импланта можно создать маленькие ступеньки и пупырышки.
За них клетка может хорошо зацепиться. И если она сидит там, начинается распространение клеток
и рост тканей.

Создание материала

Следующее, что нужно сделать, — воспроизвести свойства ткани. Что это значит? Во-первых, необходимо воспроизвести размеры и механические свойства кости, например прочность. Можно делать имплантаты из материала, который имитирует сразу две кости — сплошную и пористую. Он восстанавливается сразу после нагрузки, на нем не образуется трещин.


У современных материалов, например у титановых, возникает проблема: титан жесткий. Под нагрузкой он не гнется, а кость уже начинает, и тогда вся нагрузка переходит на титановый имплантат, значит, кость остается с меньшей нагрузкой или совсем без нее. Кость изменяет свою структуру, потому что не чувствует этой нагрузки, хотя на самом деле она вроде бы и есть. В этом случае кость изменяется, охрупчивается. Тогда возможен вторичный перелом между титаном и костью. Чтобы этого избежать, мы создаем гибридные имплантаты, которые состоят не только из титана, но и, например, из полиэтилена.

Имплантат может
быть сделан методом
3D-печати из титанового сплава и покрыт пористым полиэтиленом.
Через этот полиэтилен
прорастают ткани,
и имплантат интегрируется
с организмом.




Ti



Биомиметика —
это область науки, которая занимается воспроизведением природных структур
на синтетических, искусственных, материалах.



Компьютерная
томография —
это просто
рентген, но в 3D.

Печать имплантатов

При создании имплантата нужно повторить точную геометрию кости, тут помогает 3D-печать. Пациент поступает в клинику, и ему делают, например, компью- терную томографию. КТ — это просто рентген, но в 3D. На основе этих данных можно создать настоящий имплантат кости. Он будет иметь внутренний пористый слой и сплошной внешний, по своей геометрии будет похож на настоящую кость. Нужно учитывать, что кость — это не просто цилиндр у нее на самом деле достаточно сложное сечение.

Именно поэтому имплантаты заранее моделируются. Причем сразу закладываются уже необходимые поры, которые будут потенциально комфортны для роста клеток внутри такого кусочка.

Стволовые клетки могут стать любой из клеток тканей нашего организма. Они поддерживают свою численность с помощью деления и способны превращаться (дифференцироваться)
в различные типы клеток.

Подготовка среды

Для создания идеального имплантата нужно ввести в него антибактериальный препарат. Это возможно сделать, например, с помощью сверхкритических флюидов — чем-то средним между жидкостью и газом.
Для этого нужен сосуд, куда можно положить имплантат, высыпать рядом антибиотики и запустить туда флюид. Антибиотик растворяется и начинает везде проходить, проникая внутрь имплантата, таким образом получается имплантат, насыщенный антибиотиком. Если бы антибиотик был просто нанесен на поверхность имплантата, он выходил бы внутрь организма после имплантации. А антибиотику все равно, что убивать: он может и собственные клетки организма портить, и бактериальные, он не разбирает. А если он по чуть-чуть, порциями выходит на поверхность, он постепенно убивает бактерии, таким образом нанося меньший вред нашему организму. Важно соблюсти необходимый идеальный баланс между убийством бактерий и сохранением своих собственных клеток.

Проращивание тканей

Следующее, что нужно сделать, — ввести специальные белковые молекулы, которые называются факторами роста. Если ломается кость, то сразу запускаются различные процессы. Появляются сигнальные молекулы, которые провоцируют другие строить новую кость. Факторы роста — это белки, которые имеют вот эту сигнальную функцию. Белок с названием BMP (bone morphogenetic protein — костный морфо-генетический белок) отвечает за рост костей, привлечение клеток к местам образования новой кости.


Он очень хорошо садится
на гидроксиапатит, который упоминался выше. Гидроксиапатит можно внедрить
в биоразлагаемый полимер. И таким образом получится имплантат, в котором есть и кальций, и фосфор, и сигнальный белок. Это должно ускорить образование новой кости и сращивание с имплантатом.

Роль собственных клеток пациента

В завершение создания имплантата нужно колонизировать его клетками самого пациента. Многие слышали про стволовые клетки. Это такие «клетки-­школьники»:
они еще в начале своего жизненного пути, еще не выбрали, кем будут. В зависимости
от того, в какой вуз школьники
в дальнейшем поступят, в какую компанию попадут, кто их будет окружать, какая там социальная среда, они станут кем-то.
То же самое происходит и со стволовыми клетками: они находятся в начале своего жизненного пути, еще не выбрали, кем станут — костью, хрящом, мышечны­ми тканями, клетками мышечной ткани.

Из стволовых клеток может вырасти много чего, все зависит от того, что их окружает, как их стимулируют. И в идеале можно брать стволовые клетки, окружать их факторами роста и заставлять их превращаться в нужные клетки, чтобы росла нужная ткань. Например, сразу кость. Можно брать эти клетки, заселять не на гладкую поверхность, а на поверхность биомиметическую, вот там эти стволовые клетки очень хорошо себя начинают чувствовать. А если их еще окружают факторы роста, вот тогда больше вероятность того, что внутри имплантата уже будет прообраз будущей кости.


Ti



Антибиотик растворяется
и начинает везде проходить, проникая внутрь имплантата, таким образом получается имплантат, насыщенный антибиотиком.




Стволовые клетки могут стать, например, костью, хрящом, мышечными тканями, клетками мышечной ткани
P.S.: Эксперимент

Наша научная группа в НИТУ «МИСиС» с коллегами из Центра эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи провела очень интересный эксперимент: мы создавали имплантат, а коллеги из центра им. Гамалеи создавали белок человека методом генной инженерии. Его мы сажали в имплантаты и потом проводили трепанацию черепа животного. Смотрели сверху на череп. Просто череп для рентгена непрозрачен, а полимерный материал, который мы туда поставили в виде имплантата, прозрачен. Через шесть недель можно увидеть на томограмме, как образуются маленькие точечки на месте этой пустоты. Значит, внутри имплантата начинает расти кость.
А если представить такое: взять немного факторов роста
и добавить их в имплантат, что произойдет? Уже через три недели образуется своя собственная кость, полностью место дефекта зарастает. Вот как сильно эти белковые молекулы могут ускорять сращивание костей.