Ученые МИЭТа ускорят процесс заживления тканей при имплантации

В МИЭТ разрабатывают технологию направленной модификации поверхностей биосовместимых пластиков и увеличения ростовой активности с целью сокращения периода интеграции импланта. В разработке принимают участие сотрудники Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ: к. т. н. Алексей Ромашкин, к. т. н. Денис Левин, инженер, аспирант кафедры квантовой физики и наноэлектроники Юрий Поликарпов и другие сотрудники. Общее руководство и руководство НОЦ ЗМНТ осуществляет профессор, д. ф.-м. н. Владимир Кириллович Неволин. Индустриальный партнер – Зеленоградский нанотехнологический центр.

Цель работы

Предлагаемая технология позволит обеспечить увеличение количества клеток, которые бы росли на модифицированной поверхности относительно немодифицироанной поверхности, в 5-6 раз за первые несколько суток после их закрепления. За счет такого увеличения роста клеток уже имеется возможность сокращения периода интеграции импланта, что особенно актуально при восстановлении костной ткани. И это несмотря на то, что изучаемые процессы происходят в течение небольшого промежутка времени, на первичной стадии интеграции импланта, когда клетки прикрепляются к внедренной новой поверхности.

«Цель была в том, чтобы разработать технологии модификации, которые позволяли бы существенно улучшить рост остеобластов на поверхности биопластиков, – рассказывает Алексей Ромашкин. – И с учетом биодеградации полимера, в перспективе обеспечить их рост и формирование ткани в том пространстве, которое находится между внедряемым имплантом (например, на основе титана) и тканью живого организма. Биоразлагаемые биопластики – это, например, полимеры на основе полилактида (наиболее распространенные). При этом важно соблюсти условие, что скорость их биодеградации остается такой же, как и скорость выращивания костной ткани. Чтобы, пока они деградируют, костная ткань нарастала».

Эксперименты in-vitro

В ходе экспериментов на клетках, вне живого организма, ученые получили стабильное увеличение количества клеток, вырастающих на модифицированной поверхности. Эксперимент проходил в лаборатории культур клеток в НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи (бывший НИИ вирусологии им. Д. И. Ивановского). Модификацию предполагалось проводить двумя способами. Первый – это модификация в плазме. В качестве биопластика был выбран полилактид: из него делались пленки и потом модифицировались в аргоновой плазме. Еще один вариант модификации был за счет молекул волокон природных биополимеров. Выбор пал на коллаген, который является основным компонентом соединительной ткани: костей, сухожилий, хрящей и других.

На этом этапе ученые столкнулись с проблемой: большинство методов нанесения коллагена основано на том, что используются такие растворы, которые так или иначе повреждают его структуру. А если структура повреждена, и наши ученые это тоже проверили, клеткам становится все равно, есть коллаген или его нет. То есть, последовательность аминокислотных остатков, которая присутствует на поверхности волокна в определенных точках, при нарушении структуры волокна, не срабатывает.

Ученые поняли, что технология должна быть разработана такая, чтобы она ни в коем случае не повреждала природную структуру волокна коллагена. Им приходилось работать с очень нестабильными водными растворами коллагена. Чтобы понять эту нестабильность, попробуйте размешать в воде сахар. Положите в кружку хоть десять кубиков сахара, и вы все равно получите просто раствор: в осадок он не выпадает, никак не расслаивается. Такой раствор можно наносить, переливать и т.д. С коллагеном так не получится: добавляем его в виде порошка, а он выпадает сразу в осадок. То есть, время, пока он падает в осадок и расслаивается, очень маленькое. Как же его наносить, если он весь неоднородный? «Мы применили ряд подходов по его размешиванию и ультразвуковой обработке, то есть, действовали не химическими, а физическими методами, – говорит Алексей Ромашкин. – И получили не раствор, а достаточно стабильную дисперсию (когда отдельные крупные частицы «плавают»), с которой можно работать. Способ нанесения мы выбрали аэрозольный: он удобен тем, что его можно наносить на изделия сложной формы, что важно при применении в имплантах, а кроме того у нас в рамках выполнения предшествующих работ была установка собственного изготовления, позволяющая осуществить такое нанесение».

Дальше нужно было сделать ряд тестовых подложек и определиться, какая концентрация этих коллагеновых волокон на поверхности дает нужный эффект. «Удивительным оказалось то, что у нас получилось увидеть существенное увеличение количества клеток, когда коллаген есть и когда его нет, уже при 1% заполнения площади поверхности. То есть, даже если его крайне мало, для клетки это все равно существенно. Клетка – размером порядка 20 на 20 микрон. И если на этой площади оказывается десяток тонких, диаметром менее 100 нанометров, волокон, это уже вносит существенный вклад в то, как она будет закрепляться и расти. Большие концентрации делать совершенно не обязательно. И эта технология применима для поверхностей любой формы, к чему мы и стремились изначально».

Для экспериментального нанесения ученые использовали стеклянные подложки, покрытые слоями титана и полилактида. Лучшие результаты были получены с проведением плазмообработки и наличием коллагена. Ученые добились улучшения ростовой активности клеток на модифицированной поверхности, и теперь готовятся к проведению более серьезных испытаний – на живых организмах.

Перспективы

Сейчас возможность новых испытаний обсуждается с индустриальным партнером проекта – Зеленоградским нано-технологическим центром (ЗНТЦ). На описанные способы модификации уже получены патенты, а часть находится на стадии экспертизы заявок на изобретения. В случае успешных экспериментов технология получит возможность использования на реальных имплантах. Дальнейшей стадией является регистрация подобных медицинских изделий, после чего появится возможность существенно сокращать период интеграции импланта при помощи предложенной в НИУ МИЭТ технологии модификации.

***

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 14.575.21.0125 (уникальный идентификатор RFMEFI57517X0125) в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».