В Институте БМС создали новое антитромбогенное покрытие для сердечных насосов
Совершенствование аппаратов вспомогательного кровообращения серии «Спутник», разработанных в МИЭТе и имплантированных уже более чем 50 пациентам, подтолкнуло ученых к новым исследованиям в смежных направлениях. Результатом стало создание качественного покрытия на основе коллагена и углеродных нанотрубок, предназначенного для имплантируемых устройств, управляющих потоком крови, а также разработка специального микрофлюидного чипа, который позволяет изучать свойства подобных покрытий с использованием минимального количества крови.
Основным заинтересованным партнером исследования стал Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова – именно там совместно с нашим университетом проводятся испытания аппарата вспомогательного кровообращения «Спутник», а сегодня ведутся поиски нового антитромбогенного покрытия, способного значительно снижать процессы тромбообразования и выдерживать сильный поток крови в уязвимых местах имплантатов. Результаты исследования опубликованы в марте 2023 года в высокорейтинговом международном журнале Micromachines.
Первый «сердечный насос» ученые Института биомедицинских систем (БМС) НИУ МИЭТ и Сеченовского университета создали более десяти лет назад – это был первый отечественный аппарат вспомогательного кровообращения для левого желудочка сердца. Такие устройства имплантируют пациентам с терминальной стадией сердечной недостаточности, что зачастую позволяет им дожить до операции пересадки донорского сердца. С тех пор в МИЭТ разработали целый ряд «сердечных насосов», предназначенных для разных групп пациентов и условий применения.
Однако насущной проблемой продолжали оставаться осложнения, которые вызывают имплантаты – в частности, повышенное тромбообразование крови (тромбоз), влияющее не только на долгосрочность работы имплантируемого устройства, но и на жизнь пациента, поскольку в случае отрыва от поверхности тромб может перекрыть кровоснабжения жизненно важных органов. Разработка стабильных и антитромбогенных покрытий для «сердечных насосов» приобрела особое социальное значение.
В ходе научного исследования, которое стартовало в 2018 году, ученые Института БМС предложили метод послойного формирования гемосовместимых нанокомпозитных покрытий на основе многостенных и одностенных углеродных нанотрубок в коллагеновой матрице (посмотреть научную публикацию можно по ссылке).
«Углеродные наноматериалы сравнительно недавно стали использовать для таких целей, но они уже успели отлично зарекомендовать себя в качестве основы биосовместимых функциональных покрытий, – рассказывает руководитель исследования, начальник лаборатории Биомедицинских нанотехнологий Института БМС Александр Герасименко. – Коллаген же является важным структурным и механическим строительным белком различных тканей, и его часто применяют как компонент тканеинженерных каркасов для восстановления структуры биотканей. Известно, что коллаген может обеспечивать антикоагулянтный эффект, однако на данный момент практически нет данных о эффекте антитромбогенности при контакте покрытия из коллагена с потоком крови. Наше исследование доказывает, что коллаген – вполне подходящий кандидат для разработки покрытия, предотвращающего образование тромбов».
Чтобы исследовать тромбогенные и механические свойства нового покрытия, было разработано микрофлюидное устройство многоразового использования, имитирующее работу полноценного аппарата вспомогательного кровообращения в организме человека. В основе нового устройства – чип с микроканалами, с помощью которого можно тестировать резистентность и тромбогенность материала, используя при этом минимальный объем крови – не более 100 мл. Для сравнения, обычно на стенде, имитирующем кровеносную систему организма, расходуется 4-5 литров крови.
«Синергия коллагена с углеродной наноструктурой из нанотрубок в нашем покрытии улучшила его механические свойства – покрытие способно выдерживать напряжение сдвига потока крови, аналогичное реальному потоку крови в аппаратах вспомогательного кровообращения, – поясняет один из основных исследователей в команде проекта, магистрантка МИЭТ Кристина Попович. – Чтобы провести испытания, мы воссоздали такое же напряжение сдвига в микрофлюидном устройстве. Известно, что степень тромбообразования сильно зависит от этого параметра, именно поэтому чип с микроканалами сконструирован таким образом, чтобы выдерживать высокие напряжения сдвига без протечки. Кроме того, наше устройство позволяет обходится малым объемом перекачиваемой жидкости и экономно расходовать кровь для многочисленных испытаний. Это очень важно, особенно в настоящее время».
Тестирование нанокомпозитного покрытия при помощи нового устройства подтвердило, что это подходящий «кандидат» для сердечно-сосудистых имплантатов. В будущем и разработанное покрытие, и метод его тестирования могут найти применение как у производителей отечественных имплантируемых устройств, так и у производителей систем очистки крови и подобных аппаратов, считают ученые. Микрофлюидное устройство пригодится для имитации процессов, происходящих в почках, печени, семявыводящих протоках и других частях организма.
«Вдохновленные полученными результатами, мы планируем разработать ряд микрофлюидных устройств, имитирующих сложные процессы в аппаратах вспомогательного кровообращения с детектированием показателей крови в режиме реального времени. А также предложим новые составы долговечных гемосовместимых нанопокрытий», – заявляет Александр Герасименко.
Команда исследовательского проекта состояла из ученых НИУ МИЭТ и Сеченовского университета. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», участником которой МИЭТ стал в 2021 году.