Ученые придумали, как ускорить процесс заживления связок суставов

Новый тип искусственных связок суставов позволит сократить время реабилитации пациентов на 7 недель и ускорит процесс заживления тканей в послеоперационный период. Вероятность повторной операции при этом снизится в 2,5 раза по сравнении с традиционными синтетическими имплантатами. Апробация уже успешно проведена в Клиническом институте им. М. Владимирского. Результаты были опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.

«Преимущество нашей разработки заключается в том, что методика имплантации связки не изменилась, что очень важно для выведения продукта на рынок. Стоимость имплантатов с нанопокрытием будет в два-три раза меньше средней стоимости зарубежных аналогов связок без покрытия. Мы используем доступные отечественные материалы и оборудование с большим ресурсом: можно изготовить еще порядка миллиона единиц искусственных связок», — рассказывает руководитель исследовательского проекта Александр Герасименко, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ, заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий Сеченовского Университета.

Синтетические связки с нанопокрытием

Одной из важных причин неудовлетворительных результатов оперативного лечения повреждений связок является плохая биологическая интеграция стенки костного канала с имплантатами. Это происходит из-за того, что механические характеристики волокон имплантата превосходят прочность костной ткани канала, в котором он фиксируется. В связи с этим существует проблема разрушения костного канала, особенно в первое время после проведения операции. Полимеры, которые используют для изготовления связок, – гидрофобные (в которые не проникает вода) и химически инертные материалы с низкими биологическими свойствами, которые тяжело приживаются в костном канале.

Для преодоления этих проблем ученые НИУ МИЭТ разработали новый состав и метод формирования покрытия для полимерных волокон связки. Покрытие представляет собой каркасную структуру из углеродных нанотрубок, которая сформирована инфракрасным излучением в матрице из коллагена. Перед тем как приступить к изготовлению покрытия, ученые провели объемные теоретические исследования, позволившие подобрать нанотрубки и молекулы белков с необходимыми параметрами. Они обеспечат энергетически эффективный состав покрытия. Нанотрубки имеют диаметр около 1,5 нанометров и позволяют сформировать каркасную структуру с высоким разрешением. За счет функциональных химических групп нанотрубок ученые добились высокой гидрофильности покрытия, которая значительно превосходит гидрофильность полимерных волокон и покрытия из чистого коллагена. Благодаря этому синтетические связки с нанопокрытием обеспечили нормальный уровень гемолиза крови. Т.е. при контакте нанопокрытия с кровью не происходит разрушения оболочек эритроцитов выше естественного уровня.

На Рисунке 1 (вверху, справа) изображены двухмерные проекции (a, c, e, g, i, k) и трехмерные изображения (b, d, f, h, j, l) сквозного канала в метафизе бедренной костидля контрольного левого (b, f, j) и экспериментального правого (d, h, l) коленного сустава через 1 (a, b, c, d), 3 (e, f, g, h) и 6 (I, j, k, l) месяцев после имплантации, полученные методом компьютерной микротомографии. Все исследования были выполнены ex vivo.

Рис. 2. Изображения общего вида ОУНТ, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (а), изолированных ОУНТ, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии (b), чистой ленты из ПЭТФ (c), схема установки для формирования покрытия ОУНТ/коллаген на ленте из ПЭТФ (d) и лента из ПЭТФ с покрытием ОУНТ/коллаген (e)

Первые результаты и практическое применение

В исследованиях показано, что покрытие способно к биоразложению под воздействием жидкостей организма. При этом в нем происходят структурные изменения: увеличивается количество пор и их размер. Это необходимо для прорастания клеток, кровеносных сосудов и нервных волокон в структуру покрытия для обеспечения лучшей интеграции имплантата с окружающими тканями.

Апробация связок с нанопокрытием уже была проведена на лабораторных животных (кроликах) в Клиническом институте им. М. Владимирского. В результате эксперимента было доказано, что разработанные связки с нанопокрытием обеспечивают скорейший рост костной и плотной соединительной тканей в канале в течение первых 6 месяцев после операции. За счет этого достигается плотная фиксация и полное приживление синтетической связки с нанопокрытием по сравнению с имплантатом из традиционных полимерных волокон, которые обычно используют ортопеды. В результате исследований был также определен важный механизм взаимодействия покрытия с биотканями. Его особенность заключалась в появлении вокруг синтетической связки с нанопокрытием жидкой среды, в которой изначально прорастала рыхлая ретикулярная ткань. Далее она замещалась на плотные коллагеновые волокна, которые в свою очередь замещались костью.

Применение разработанного учеными НИУ МИЭТ имплантата связки сустава с нанопокрытием в ежедневной врачебной практике позволит достичь полного и скорейшего послеоперационного восстановления пациента. В исследованиях также принимали участие специалисты Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Клинического института им. М. Владимирского, Российского аграрного университета им. К.А. Тимирязева и Саратовского государственного университета. Изготовление, моделирование и исследование структуры и гемолиза покрытия ОУНТ/коллаген было выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 20-49-04404. Исследование гидрофильности, компьютерная микротомография и in vivo исследования покрытия ОУНТ/коллаген было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в соответствии с приказом № 075-03-2020-216 от 27.12.2019 г.

Рис. 3. Рис.4

Рис. 3. Изображения гистологических срезов области имплантации через 1 (a, b), 3 (c, d) и 6 (e, f) месяцев после имплантации для контрольного (a, c, e) и экспериментального (b, d, f) коленного сустава. 1 – волокна ленты из ПЭТФ; 2 – костные трабекулы; 3 – соединительная ткань; 4 – ретикулярная ткань.

Рис. 4. Увеличенные изображения гистологических срезов с визуализацией клеток в области имплантации через 1 (a, b), 3 (c, d) и 6 (e, f) месяцев после имплантации для контрольного (a, c, e) и экспериментального (b, d, f) коленного сустава. 1 – волокна ленты из ПЭТФ; 2 – костные трабекулы; 3 – соединительная ткани; 4 – ретикулярная ткань; 5 – клетки крови на разных стадиях кроветворения; 6 – остеоциты; 7 – остеобласты; 8 – фибробласты.

Почему это актуально

Практически каждый человек сталкивается с бытовыми или спортивными травмами, в результате которых происходит повреждение связок суставов. Связки – это волокна из плотной соединительной ткани, повреждения которых в течение жизни самостоятельно почти не восстанавливаются. Социально значимым заболеванием является разрыв передней крестообразной связки коленного сустава. По данным российских медицинских учреждений частота повреждений передней крестообразной связки составляет один случай на 200 человек, и при этом большинство пациентов – активные и трудоспособные люди в возрасте от 16 до 45 лет. На фоне повреждения связок развиваются заболевания, которые могут привести к инвалидности: нестабильность сустава, синовит и гонартроз.

Для лечения разрыва связок проводится артроскопическая пластика коленного сустава, т.е. полная замена порванной связки. Но прежде врачу необходимо сформировать костные каналы в бедренной и большеберцовой костях и соединить их трансплантатом или имплантатом связки. Для этого можно использовать фрагменты тканей самого пациента или фрагменты тканей доноров, в том числе животных, а также искусственные имплантаты.

Применение тканей пациента является наиболее эффективным решением, однако, для их получения нужно забирать ткань из другой части тела, нанося больному дополнительную травму. При пересадке тканей от донора существует большая вероятность отторжения или случайно передачи инфекций пациенту. Таким образом, будущее замены поврежденных связок за синтетическими материалами. Для изготовления искусственных связок используются полимерные нити, которые заплетаются определенным образом в волокна.