Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» разработали композитный материал, который ускоряет регенерацию костных клеток. Его планируют использовать для лечения сложных переломов. В состав композита вошло биосовместимое вещество хитозан, к которому добавили ускоряющие заживление компоненты. В результате удалось получить материал, который по своим свойствам похож на естественную кость. По мнению экспертов, технологию можно будет применять для восстановления не только частей скелета, но и других поврежденных органов.
Естественная механика
Ученые НИЦ «Курчатовский институт» создали материал, способный стимулировать рост костной ткани и за счет этого ускорять заживление поврежденных костей. Его основой служит пористая губка из хитозана — вещества, которое получают из панцирей или других органов ракообразных. В нее ученые добавили трикальцийфосфат. Это минерал, из которого образуются костные клетки. Также в состав композита вошел восстановленный оксид графена — хорошо проводящее электричество соединение, использование которого позволяет ускорить остеосинтез с помощью воздействия слабым током.
— Оба эти вещества дают терапевтический эффект. Однако они слишком хрупки, легко разрушаются, поэтому нуждаются в надежной основе. В этом качестве мы решили использовать хитозан: он распространен в природе, биосовместим со всеми тканями организма, не токсичен и со временем разлагается на безопасные компоненты, — рассказала младший научный сотрудник лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Наталья Шарикова.
Имплантаты из композитных материалов используются в регенеративной медицине в качестве клеточного каркаса при сложных травмах костной ткани. Композит, созданный учеными Курчатовского института, рассчитан на восстановление губчатых частей кости, которые располагаются по ее концам. В случае травмы поврежденная часть удаляется, а на ее место помещается композит. Применение материала позволяет организму продолжать функционировать так же, как и до повреждения.
Чтобы композит был эффективен, он по своим механическим свойствам должен быть максимально похож на исходную ткань. Специалисты добились этого, экспериментируя с разной концентрацией составных веществ.
Чтобы получить материал, хитозан растворяли в водном растворе уксусной кислоты, а затем включали в него восстановленный оксид графена и трикальцийфосфат. Полученное вещество замораживали и удаляли из него растворитель, после чего образовывалась пористая структура. При этом тончайшие листы оксида графена наслаивали друг на друга так, чтобы обеспечить возможность проводить электричество при небольшом количестве этого наполнителя (минимизировать его объем важно, чтобы полученный материал не потерял нужные свойства, которые придает хитозан).
Универсальный подход
По словам разработчиков, хитозановая губка может служить основой для материалов, стимулирующих регенерацию любых органов. Для этого структура композита должна совпадать со строением поврежденной ткани. В случае с костями это пористое вещество, а, например, для восстановления мышц нужен материал, который состоит из волокон и включает соединения, обладающие терапевтическим воздействием на пострадавшие клетки. В будущем ученые планируют разработать аналогичные композиты для всех видов тканей.
— Если в хитозановые губки добавить другие вещества, то можно создать материал для восстановления любых других тканей, вплоть до нервной, — подтвердил такую возможность доцент кафедры неорганической химии и профессор департамента биоэлементологии и экологии человека РУДН Андрей Критченков.
В ближайшее время авторы разработки приступят к экспериментам, которые покажут, как на новейших материалах ведут себя различные клетки из организма человека: насколько хорошо они прикрепляются к композиту, как быстро начинают размножаться и насколько эффективно электростимуляция ускоряет их рост.
Как минимум для применения в костных имплантах используемые материалы хорошо себя зарекомендовали, отметил директор Научно-образовательного центра биоинженерии НИТУ МИСиС Федор Сенатов.
— Хитозан — природный полисахарид, который не только является биоактивным материалом, но и проявляет природные антибактериальные свойства, — добавил эксперт.
А добавление оксида графена может потенциально положительно сказаться на проводящих свойствах, что стимулирует интеграцию имплантата в костную ткань, пояснил Федор Сенатов.