Имплантат коленного сустава. Источник: depositphotos.com

Словно собственная кость: биосовместимый имплантат позволит лечить даже сложные травмы

В Центре биоинженерии Университета ИТМО разрабатывают наномодифицированные полимерные имплантаты, которые полностью биосовместимы с человеческим организмом, растворяются в теле через несколько лет, а также обладают бактерицидными свойствами. Благодаря этой технологии возможно восстановление полноценной жизни даже после утраты частей скелета, что в существующей технлогии невозможно. Результаты исследований представил один из руководителей проекта, профессор кафедры информационных технологий топливно-энергетического комплекса Игорь Денисюк в рамках научно-образовательного семинара. Также проектом руководит заведующая кафедрой Майя Успенская.

Сложные переломы, например осколочные (когда образуется несколько осколков кости), при ортопедическом лечении нередко не зарастают. Для восстановления функций конечностей необходимо заменять часть кости, но чем? При замене донорской костью могут передаться вирусы или возникнуть отторжение. Использование металлических имплантов требует повторного хирургического вмешательства, чтобы убрать инородный материал из тела человека. Полимерные же имплантаты могут стать хорошей альтернативой «металлу»: они полностью совместимы с организмом человека и постепенно растворяются в организме, заменяясь костной тканью в течение трех-пяти лет. Идея биодеградируемых имплантатов не нова: первые научные доклады о них стали появляться еще полвека назад. Однако полимеры легко заражаются спорами микроорганизмов, бактерий, грибов, что является их большим недостатком.

Полимерный материал состоит из молекул. Хаотическое их расположение приводит к образованию «пустот». Свободный объем в полимере может занимать десятки процентов — в нем и живут патогенные микроорганизмы. Результатом этого являются опасные инфекции, воспаления, а также отторжение прилегающей живой ткани человека при действии продуктов жизнедеятельности бактерий.

«Введение полимера в организм приводит к отторжению тканей не потому, что это полимер, а потому, что в нем кто-то уже живет. Медицинские металлические инструменты можно продезинфицировать кипячением или окунанием в антисептическом растворе, а вот пластиковые — уже нет. Одноразовые шприцы потому и одноразовые, например», — сказал профессор Игорь Денисюк.

Университет ИТМО. Игорь Денисюк
Университет ИТМО. Игорь Денисюк

Возникает закономерный вопрос: чем же заполнить эти пустоты в полимерах? Имеется два решения проблемы. Во-первых, следует увеличить плотность упаковки полимерных молекул для минимизации свободного объема между ними. Один из путей достижения этого результата — введение в полимер наночастиц, взаимодействующих с его молекулами и встраивающихся в свободный объем полимера. Во-вторых, желательно ввести в свободный объем полимера некоторое бактерицидное вещество с пролонгированным сроком действия, которое должно быть совместимо с живыми тканями. На передовую в этом деле выходят частицы благородных металлов.

«Бактерицидное действие наночастиц серебра основано на том, что поверхностные атомы серебра постоянно десорбируются с поверхности в виде ионов. Эти ионы взаимодействуют с оболочкой микроорганизмов, блокируя синтез их ДНК, в результате чего их размножение прекращается. Золото обладает похожими свойствами, хотя механизм того, как именно они реализуются, нам пока неизвестен. В целом, в мире пока очень мало научных публикаций о применении наночастиц в медицинских полимерах. Все результаты в этой области получают в основном экспериментально, а требуется и фундаментальная основа», — прокомментировала Мария Фокина, доцент кафедры информационных технологий топливно-энергетического комплекса.

Таким образом, наномодифицированный полимерный имплантат уничтожит все микроорганизмы, которые проникли вместе с ним в организм человека, и обеспечит быстрое срастание кости. При этом кость будет постепенно прорастать сквозь такой имплант в результате прорастания коллагеновых нитей в объеме полимера.

Бактерицидное действие серебра и золота, бактерио- и фунгицидная активность окисных наночастиц, соединений цинка и кремния происходит в результате реакции оксидных наночастиц с органическими кислотами. Это приводит к высвобождению металла в биоактивной растворимой форме. Окисные наночастицы имеют биоцидное действие на патогенные микроорганизмы: грибы, больничные штаммы стафилококков, в том числе, больничные штаммы, вызывающие микозы, устойчивые к традиционным методам лечения.

Университет ИТМО. Майя Успенская
Университет ИТМО. Майя Успенская

Второе направление использования наномодифицированных композитов связано с созданием эффективных перманентных повязок для лечения опасных ожогов большой площади или крупных ран. Для этого можно использовать гидрогелевые, лиофильные наномодифицированные пленки. Они накладываются на больную поверхность и обеспечивают защиту организма от патогенов в результате наличия наночастиц серебра, а введенный в них бентонит ускоряет заживление. Кроме того, при наложении повязки заживление идет сразу по всей поверхности раны или ожога, а не только по краям. Фактически, это «вторая кожа».

Технологии применения наномодифицированных полимеров в медицине перспективны, однако не до конца изучены, подчеркнул профессор Игорь Денисюк. Требуются дополнительные исследования токсичности наночастиц при лечении человека. После этого новые методики должны пройти тестирования и клинические испытания и только потом применяться на пациентах.

«Нет ни одного вещества, которое, будучи бактерицидным, не воздействовало бы на ткани. Если организм болен, применение лечебных средств необходимо, ведь главное — это избавиться от болезни. Вред от любого медикаментозного лечения неизбежен, но важно его минимизировать. Поэтому сейчас ученым важно определить типы наночастиц, биосовместимые полимерные матрицы, методы их применения, при которых наночастицы работают эффективно и не вредят человеку», — заключил профессор.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба