Подробнее о медицинских имплантируемых устройствах

Недавно мы рассказывали о том, что наши усовершенствовали медицинские имплантируемые устройства. Основная цель научных исследований сотрудников Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ – создание биосовместимых покрытий, устойчивых к высоким напряжениям сдвига кровотока и обладающих антитромбогенными свойствами. Публикация посвящена разработке композитных покрытий на основе коллагена и углеродных нанотрубок для медицинских имплантатов, контактирующих с кровью, таких как аппараты вспомогательного кровообращения.

Почему это так важно? Сердечно-сосудистые заболевания остаются главной причиной смертности в мире, и имплантаты, призванные спасать жизни, часто обладают критической проблемой: кровь воспринимает их как угрозу, что может привести к летальному исходу пациента. При этом растущий спрос на медицинские имплантаты и устройства, а также развитие новых технологий в области биомедицины способствуют стремительному увеличению объёмов рынка биосовместимых покрытий и их технологическому совершенствованию.

«Имплантируемые перекачивающие кровь устройства, часто вызывают осложнения в виде тромбоза, что приводит к закупорке сосудов и гемолизу (разрушению красных кровяных телец) из-за контакта искусственных поверхностей с кровью. Традиционные методы антикоагулянтной терапии, например, применение гепарина, имеют серьёзные ограничения, включая риск тромбоцитопении и необходимость постоянного мониторинга состояния крови, – комментирует автор статьи, сотрудница Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Кристина Попович. – «Разработанные покрытия имитируют естественные свойства эндотелия сосудов, что позволяет снизить адсорбцию белков и активацию тромбоцитов. Другая ключевая инновация – не только сами материалы, но и метод их тестирования. Мы разработали микрофлюидный чип, который является эффективной платформой, воспроизводящей реальные условия кровотока, включая высокие напряжения сдвига. Это позволило точно оценить, как покрытия ведут себя в динамике, а не в статической среде, как делалось ранее».

Разработанные российскими учёными композитные покрытия на основе коллагена и углеродных нанотрубок обладают рядом преимуществ, которые делают их перспективными для применения в медицинских устройствах. Во-первых, они демонстрируют высокую устойчивость к механическим нагрузкам, что критически важно для имплантатов, работающих в условиях интенсивного кровотока. Во-вторых, эти материалы обладают антитромбогенными свойствами: адсорбция альбумина (белка, который запускает процесс тромбообразования) на таких покрытиях оказалась, практически, в 2 раза ниже, чем на титановой поверхности. Это означает, что имплантаты с такими покрытиями смогут дольше работать без образования тромбов, снижая риск закупорки кровеносных сосудов и летального исхода. В-третьих, технология их нанесения с помощью распыления и последующего испарения растворителя с помощью лазерного воздействия позволяет создавать однородные и тонкие слои, что упрощает интеграцию в медицинские устройства. Кроме того, разработанный микрофлюидный чип для тестирования покрытий предполагает использование малых объёмов модельной жидкости или крови, что делает исследования более экономичными и эффективными в лабораторных условиях. В перспективе такие покрытия могут быть применены не только в насосах, заменяющих сердце, но и в других имплантатах, например, стентах или искусственных клапанах сердца и полимерных сосудах, значительно улучшив их безопасность и срок эффективной работы.

«Важной составляющей данного исследования является разработанная методика тестирования материалов покрытий в условиях, максимально приближенных к реальным – под воздействием непрерывного потока жидкости с контролируемыми параметрами. Разработанный микрофлюидный чип представляет собой микролабораторию для исследования биосовместимых материалов. Одним из таких материалов является созданное покрытие. Это покрытие за счёт лазерно-индуцированной каркасной структуры из углеродных нанотрубок обладает электропроводностью. Как известно, воздействие электрического тока с определёнными параметрами может влиять на свёртывание крови. Таким образом, появляется возможность управления свойствами крови, что является эффективным инструментом для разработки и испытания новых лекарственных препаратов. В такие материалы на основе углеродных наночастиц одновременно обладающие управляемыми физико-химическими и биологическими свойствами необходимы для создания элементов компонентной базы биоинтегрированной электроники», – комментирует заместитель директора по научной работе Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Александр Герасименко. Учёный отмечает, что уникальность метода формирования композиционных материалов позволяет их применять для имплантируемых электронных интерфейсов, которые эффективно передают электрический заряд в необходимые области организма, стимулируя восстановительные процессы. Лазерно-индуцированные композиционные материалы хорошо себя зарекомендовали в качестве покрытий для электродов нейроинтерфейсов, демонстрируя эффективность регистрации биопотенциалов в рамках стратегического проекта программы развития университета «Приоритет 2030».

«Сегодня Институт БМС НИУ МИЭТ активно развивает сотрудничество с индийскими учёными, в частности, с профессором Koushik Guha, который является одним из редакторов книги, где опубликована статья. Это партнёрство реализуется в рамках гранта Российского научного фонда, посвящённого созданию цифрового двойника биоискусственной почки. Основная цель – разработать платформу для имитации функций почки, включая процессы ультрафильтрации и реабсорбции, что может ускорить создание эффективных имплантатов», – рассказывает директор Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ, профессор Сергей Селищев. Совместная работа также включает обмен технологиями: например, методы тестирования покрытий, описанные в статье, могут быть адаптированы для оценки материалов, используемых в искусственной почке. Кроме того, это сотрудничество открывает возможности для совместного участия в междисциплинарных конференциях, публикациях и совместных заявках на патенты. Приглашение индийских коллег опубликовать свои результаты исследований в монографии подчёркивает взаимный интерес к международным междисциплинарным исследованиям и укрепляет научные связи между странами.

Публикация в престижном издании стала возможной благодаря сочетанию нескольких факторов. Во-первых, работа обладает высокой научной новизной: она предлагает не только новый материал для покрытий, но и уникальный метод его тестирования с помощью микрофлюидного чипа. Во-вторых, междисциплинарный подход, объединяющий биоинженерию, материаловедение и микрофлюидику, расширил потенциальную аудиторию статьи. В-третьих, публикация стала результатом кропотливой двухлетней работы – от первоначального написания до финального принятия. На этапе рецензирования был проведён ряд дополнительных экспериментов по требованию рецензентов в качестве усиления доказательной базы.