Запчасти для homo sapiens

В современной медицине применение имплантатов давно перестало быть уникальным явлением. Будь то штифт для фиксации сломанной кости или зубной протез, металлические «запчасти» для человека уже не только спасают жизнь, когда другого выхода нет, но и просто делают её комфортнее. Но регулярность применения не означает, что учёным уже некуда развивать имплантаты.

О новых методах их изготовления и обработке рассказал доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ и РБ, член Международного научного совета (МНС) НИТУ «МИСиС» Руслан Валиев после лекции в рамках визита МНС в университет.

Современные имплантаты должны отвечать двум ключевым требованиям. Во-первых, они должны быть максимально прочными и лёгкими, чтобы не создавать физический дискомфорт человеку. В то же время очень важно биохимическое поведение их покрытия при соприкосновении с живыми тканями: как минимум оно не должно наносить вред организму, а желательно даже способствовать заживлению.

Существует немало подходов к решению этих проблем, как по отдельности, так и в комплексе. Совместить исследования нанометаллов, как материалов для изготовления имплантатов, и создание для них специализированных биопокрытий взялись учёные-специалисты по наноматериалам, химики и медики, работающие совместно с лабораторией механики объёмных наноматериалов СПбГУ под руководством Руслана Валиева. Они проводят комплексное исследование в рамках программы ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», цель которого — повышение биоактивных свойств наноматериалов в медицине. Исследование биохимических покрытий в сочетании с объемными наноматериалами является «изюминкой» этого проекта.

Коллектив лаборатории Механики объёмных наноматериалов СПбГУ в конференц-зале

Часть научного коллектива занимается самими наноматериалами, которые применяются при изготовлении протезов. «Наноматериалы, в частности, наноструктурированные металлы (или нанометаллы), имеют очень большой потенциал с точки зрения технических свойств», — подчеркнул Руслан Валиев, добавив, что самый перспективный из них - титан и некоторые его сплавы

Речь идёт о нанотитане и нанотитановом сплаве, называемом бета-титановый сплав.

«У каждого из них есть ряд преимуществ: так называемые упругие характеристики бета-титанового сплава очень близки к аналогичным параметрам человеческой кости, а при использовании чистого титана удаётся предупредить аллергические и даже онкологические риски.

Через наноструктурирование мы улучшаем характеристики обоих видов, этим мы и продолжим заниматься в этом году», — сообщил Валиев. С помощью особой технологии измельчения структуры металла путём механического воздействия, так называемого равноканального углового прессования, учёные получают титан с ультрамелкозернистой структурой, где размер зёрен составляет не более одного микрона.

Первые работы по получению объемных наноматериалов, используя методы ИПД: Уфа, 1991−1993 (R.Z. Valiev, N.K. Tsenev, N.A. Krasilnikov, Mater. Sci. Eng., 1991; R.Z. Valiev, A.V. Korznikov, R.R. Mulyukov, Mater. Sci. Eng., 1993)

Однако когда металл вводится в человеческий организм, возникает вопрос о биосовместимости, его взаимодействии с телом, а это уже сфера биохимии. В этой связи уже многое сделано, но с появлением нанометаллов появились совсем новые вопросы: применимо ли то или иное покрытие к наноматериалам и является ли оно при этом эффективным для человека?

Для того чтобы комплексно подойти к задаче, специалисты по наноматериалам работают в тесной связке с химиками и медиками. «Выступая в СПбГУ, я убедил группу учёных-химиков приложить их умения к созданию биоактивных медицинских покрытий. Медики сказали, что для них это тоже интересно, и они будут готовы проводить биомедицинские эксперименты. Так сложилась наша команда», — поделился Валиев.

Ведь именно от покрытия имплантата зависит его поведение внутри организма. Правильно подобранные компоненты способствуют более быстрому «срастанию» имплантата с костной тканью (остеоинтеграции) и прирастанию к нему мягких тканей.

Коллеги их других областей активно включились в работу. Как сообщил собеседник STRF.ru, учёные-химики — проф. В.М. Смирнов, д-р Е.Г. Земцова и их молодые коллеги, задействованные в этом проекте, создают покрытия сложной архитектуры — многослойные и многокомпонентные.

«Например, наряду с окислами, которые обычно бывают на металлах, они содержат биоактивные добавки — коллаген, гидроксиапатит и прочие. Цель этого года — получить новое покрытие, которое мы передадим медикам для испытаний», — пояснил он.

Сложное строение покрытий тоже даёт ряд преимуществ. Например, создаются покрытия с множеством пор, куда потом можно поместить лекарственное вещество. Причём виды пор тоже могут быть разными и влияют на конечные свойства. «Сначала мы создаем несколько разных видов пор, потом — несколько разных лекарственных веществ, и будем проверять с медиками оптимальные сочетания. Впереди ещё исследования с помощью электронных микроскопов — речь ведь идёт об очень мелких масштабах», — отметил Валиев, добавив, что

разработка сократит срок заживления тканей с имплантатом с нескольких месяцев до нескольких дней.

По этой причине имплантаты, которые создают учёные, должны быстро найти свое место в стоматологии и ортопедии в качестве костных протезов.

Недавно опубликована книга Руслана Валиева в соваторстве с американскими коллегами R.Z. Valiev, A.P. Zhilyaev, T.G. Langdon, Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications, 2014 by John Wiley & Sons, Inc., в которой авторы описывают новые направления работы с наноматериалами и специальными покрытиями для них. Готовится ее перевод на русский язык.

Проект «Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014−2020 годы».

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.