Когда-то в деревнях пилили медный пятак и давали порошок травмированному человеку, чтобы кости у него быстрее срослись. С тех пор выяснилось, что «строительным материалом» для костей является не только и не столько медь.
 
Современные технологии позволяют напечатать имплантат на 3D-принтере и вживить пациенту для репарации костного дефекта. Однако вопрос, из чего печатать, стоит по-прежнему остро. Применяемые сейчас в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии, травматологии титановые имплантаты фиксируются в дефектах кости с помощью винта и остаются в организме. Лет через 10 их приходится менять.
 
Задачу производства «строительного материала», который поможет человеку в регенерации костей и будет постепенно усваиваться, растворяясь без следа, решают институты СО РАН – химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ), автоматики и электрометрии (ИАиЭ), органической химии (НИОХ) – и Государственный центр вирусологии и бактериологии «Вектор». Они объединились в рамках проекта «Создание фундаментальных основ получения биосовместимых 3D-изделий медицинского назначения методом селективного лазерного спекания механохимически синтезированных изоморфных разновидностей апатита», поддержанного в 2018 году Российским фондом фундаментальных исследований. По окончании работ должна появиться модель 3D-принтера, печатающего биоразлагаемые имплантаты. А пресловутый «строительный материал» уже синтезировали механохимики.

“Фосфоритами и апатитами наш институт занимается лет 40, – рассказывает главный научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии, руководитель проекта РФФИ академик Николай Ляхов. – Развивать данное направление начала наш сотрудник, доктор химических наук Марина Чайкина. Мы научились обрабатывать этот твердый природный минерал фосфатных руд в специальных мельницах – механических активаторах, разрушать его структуру, делать его усвояемым растениями и использовать в качестве удобрения. И всегда думали о возможном медицинском применении, поскольку апатит – это тот самый материал, из которого состоят наши зубы и кости. К сожалению, для медицинских целей природный минерал не годится, т. к. он содержит в себе множество разных ионов-заместителей, из которых не все полезны для организма. Оказалось, что механические активаторы можно использовать не только для разрушения апатита, но и для его синтеза. Керамику на основе апатитов пытались сделать еще в 1980-х годах, но столкнулись с непреодолимыми препятствиями: этот минерал нельзя расплавить без разложения. К использованию апатитов нас подталкивала еще одна идея. Раньше стоматологи делали пломбы из фосфатного цемента. Потом выяснилось, что эти пломбы подвергаются резорбции, проще говоря, постепенно растворяются и становятся источником фосфора в организме. А нельзя ли резорбцию использовать в благих целях – давать организму источник кальция и фосфора для наращивания родной костной ткани и восстановления кости после перелома? Так мы вновь вернулись к мысли сделать керамику из апатита. Поскольку в организме сверхвысоких температур нет, а зубы, тем не менее, формируются, мы предположили, что, если минерал быстро нагреть лазерным импульсом, а затем вернуться к прежней температуре, он сохранит свои свойства. В рамках работ по проекту РФФИ это было впервые в мире (!) продемонстрировано”.
Имплантаты из титана широко используются в медицине и в России, и за рубежом.

“Есть методики покрытия таких изделий гидроксиапатитом (разновидность апатита) – для ускорения процесса вживления, – продолжает старший научный сотрудник ИХТТМ Наталья Булина. – Титановые имплантаты печатаются с помощью технологии селективного лазерного плавления металлического порошка, при которой возможна печать изделия любой формы и сложности и с учетом индивидуальных особенностей строения костей пациента. Мы решили взять эту технологию 3D-печати за основу и модернизировать ее под порошок керамический”.
Пока технологии 3D-печати индивидуальных керамических биоразлагаемых и биоусваиваемых имплантатов нет ни у нас, ни за рубежом. Титановые имплантаты не биоразлагаемые. Если их заменить изделиями из гидроксиапатита, те со временем должны раствориться, образовав на месте дефекта новую кость, так как в этом случае гидроксиапатит становится источником кальция и фосфора, необходимых для формирования костной ткани.

“В рамках работ по проекту мы провели исследования разных составов искусственно полученного гидроксиапатита,  – объясняет Булина. – Для этого в процессе синтеза материала мы вводили малые концентрации различных биологически важных ионов и в итоге подобрали те, которые положительно влияют на процесс биорезорбции и остео-интеграции. Уже проведены in vitro и in vivo биологические испытания. Исследования проходили параллельно: пока в НИОХ СО РАН в дефекты черепа крыс имплантировали порошок, в ГНЦ ВБ «Вектор» изучали действие тех же веществ на клетки костной ткани человека. В ходе экспериментов мы определили состав гидроксиапатита, который наиболее эффективен как «в пробирке», так и для живых организмов. Далее мы проверили поведение данного материала под воздействием лазерного излучения. К счастью, выяснилось, что его структура при лазерном плавлении и быстрой кристаллизации не успевает разложиться на компоненты, следовательно, при 3D-печати сохранятся полезные свойства апатита. Теперь к делу приступают наши коллеги из Института автоматики и электрометрии. Они уже разработали программное обеспечение и модуль управления основными узлами 3D-принтера. Благодаря гранту РФФИ нам удалось приобрести дорогостоящие комплектующие для нашей будущей установки – рабочего макета 3D-принтера. В планах – напечатать объемное изделие и исследовать его свойства”.
Полученные имплантаты можно использовать для восстановления небольших костных дефектов, причем создаваться они будут индивидуально – печататься по результатам томографических снимков конкретного пациента.

“Нам уже удалось отладить механохимический, то есть сухой и безотходный, синтез материала для таких имплантатов, – добавляет академик Ляхов. – Можно сделать целую партию в десятки килограммов для необходимых испытаний – доклинических и клинических. Сумеем изготовить винты и штифты для зубных протезов и сами протезы не из металла и фарфора, а из родного нашему организму апатита – совершим революцию в челюстно-лицевой хирургии. Мой стоматолог, например, живо интересуется, когда же, наконец, появятся имплантаты из апатита. Не менее ценно применение нашего «стройматериала» в лечении сложных переломов и остеопороза. Особенно это важно для пожилых людей, ведь известна поговорка: перелом срастается столько дней, сколько лет человеку. Организму можно и нужно помочь залечить дефекты и поры в костях – достаточно вживить рядом пластинку из гидроксиапатита, и она, растворяясь, будет давать необходимые кальций и фосфор, которые в виде лекарств усваиваются плохо. Наше исследование – хороший пример того, как фундаментальная наука, если ее немного поддержать, может выдать результат, полезный буквально каждому человеку”.
Автор: Ольга Колесова.

Похожие новости

  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    314
  • 03/03/2021

    Учёный НГУ создал нейросеть для газоанализатора, помогающего выявлять коронавирус

    Один из способов оперативной диагностики состояния организма разработан учеными Института автоматики и электрометрии СО РАН совместно с компанией ScientificCoin. С помощью созданного ими газоанализатора Healthmonitor можно с точностью до 85 % определить наличие в организме коронавирусной инфекции.
    212
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    471
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    1891
  • 13/07/2020

    Институты СО РАН продолжают набор в аспирантуру: ИАиЭ, НИОХ, ИМБТ, ИДСТУ, ИФП, ИУХМ ФИЦ УУХ СО РАН

    ​​Приём в аспирантуру ИАиЭ СО РАН на 2020/2021 учебный год  Приём на обучение по программам подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре осуществляется на места в рамках контрольных цифр приёма граждан на обучение за счёт бюджетных ассигнований федерального бюджета.
    1141
  • 20/10/2020

    Сотрудники ИАиЭ СО РАН применяют технологии виртуальной реальности в разработках для космоса и обучения

    ​​​​​​​​​Сотрудники Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН Алексей Тарасовский и Борис Мазурок выступили с лекцией «Многофункциональная интерактивная система обучения на базе виртуальной студии» в рамках международной конференции, прошедшей на площадке Владивостокского государственного университета экономики и сервиса (ВГУЭС).
    392
  • 25/01/2021

    В новосибирском Академгородке работают над созданием модели 3D-принтера для печати биоразлагаемых имплантатов

    ​​Об этом проекте СМИ уже рассказывали весной. Новая разработка позволит заполнять пустоты в костях человека материалом на основе минерала гидроксиапатита, который на время заменит живую ткань, даст толчок к развитию собственных клеток, а затем растворится, оставив после себя зажившую полость.
    520
  • 15/02/2021

    Наука - великая поэзия...

    Великая поэзия нашего века — это наука с удивительным расцветом своих открытий, своим завоеванием материи, окрыляющая человека,чтоб удесятерить его деятельность. Э. Золя  День российской науки учрежден Указом Президента Российской Федерации от 7.
    189
  • 26/05/2020

    Наука будущего: беспилотник на солнечных батареях, обрывы проволоки и молекулярные ножницы

    Как совмещать открытия в медицине и в космической сфере, чем бактериальная целлюлоза поможет экологии планеты и можно ли излечить от болезни, отредактировав ДНК, — в материале портала "Будущее России.
    1149
  • 14/03/2019

    Как реализовать возможности российского рынка многокомпонентных материалов

    ​Недавняя новость о том, что из-за международных санкций российские авиастроители не смогут получать из США компоненты, необходимые для выпуска отечественного лайнера МС-21, вызвала бурное обсуждение, так или иначе связанное с проблемой преодоления зависимости от импорта.
    1231