Разработаны искусственные связки на основе нанотрубок и коллагена, ускоряющие восстановление пациента
Группа ученых разработала новый тип искусственных связок суставов. Имплантат представляет собой бесшовную трубку из полиэтилентерефталата, покрытую каркасом из углеродных нанотрубок и коллагеном.
Опыты показали, что время реабилитации пациента уменьшилось на 7 недель, а
вероятность повторной операции снизилась в 2,5 раза по сравнению с традиционными
синтетическими имплантатами. Исследование проведено с участием представителей
Сеченовского Университета при поддержке Российского научного фонда. Результаты
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, заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий Сеченовского
Университета и НИУ «МИЭТ».
Растяжение или разрыв связок — частая и весьма неприятная травма у
спортсменов и вообще у людей, ведущих активный образ жизни. Одно неосторожное
движение может привести, в лучшем случае, к двухнедельному больничному и боли, а
в худшем — к хирургическому вмешательству или инвалидности. Разрыв передней
крестообразной связки коленного сустава — одна из самых частых и неприятных
травм, на нее приходится больше половины общего числа повреждений суставов. Для
лечения подобной травмы необходимо имплантировать донорские или синтетические
связки. Однако в первом случае есть вероятность отторжения чужой ткани, а во
втором — искусственные материалы могут обладать низкой биосовместимостью и плохо
приживаться. В обеих ситуациях потребуется повторная операция, которая
увеличивает срок восстановления больного.
Решение этой проблемы удалось найти ученым из «Сеченовского университета»,
НИУ «МИЭТ», «РГАУ-МСХА», «МОНИКИ» и НИУ «СГУ». Разработанный ими имплантат
представляет собой волокна из термопластика полиэтилентерефталата (ПЭТ) с
покрытием на основе каркаса из одностенных углеродных нанотрубок,
сформированного инфракрасным излучением в матрице из коллагена. В отличие от
других полимеров, к примеру, полиэстера и полипропилена, ПЭТ с меньшей
вероятностью вызывает воспаление суставной полости. Однако этот материал
обладает низкими биологическими свойствами, поэтому в области имплантации в
кость возникает рубец из соединительной ткани, которая мешает восстановлению
пациента и повышает риск повторной операции. Чтобы исправить это, ученые искали
материал с улучшенной биосовместимостью, который способен усилить механические
свойства соединения между имплантатом и костью. В результате изучения различных
биополимерных материалов, например белков организма, и их взаимодействия с ПЭТ
волокнами, ученые пришли к идее комбинирования углеродных нанотрубок с
коллагеном. Таким образом, каркас из нанотрубок в коллагене обеспечил имплантат
уникальной структурой за счет сильной связи между атомами углерода, а также
улучшил восстановление и прорастание костной ткани. В свою очередь была
достигнута бисовместимость ПЭТ-связок, и в результате заживления кости уменьшено
количество соединительной ткани вокруг имплантата.
Разработанную технологию тестировали на кроликах, которым были имплантированы
искусственные ПЭТ-связки с покрытием из углеродных нанотрубок с коллагеном.
Шестимесячные испытания показали отличную приживаемость имплантата. Благодаря
каркасной структуре из углеродных нанотрубок в матрице коллагена бедренная кость
ровно и быстро зарастала и фиксировала имплантат связки, об этом
свидетельствовали снимки с томографа. Гистологические исследования, проведенные
спустя три и шесть месяцев после имплантации, показали отсутствие воспалительных
процессов и образование новой костной ткани.
Также было выявлено, что в ходе биоразложения в структуре имплантата
появляются поры диаметром от 0,5 до 6 мкм. Со временем количество пор и их
размер увеличились до 20 мкм. Через них кровеносные сосуды и нервные окончания
прорастают внутрь имплантата, что ускоряет восстановление пациента.
Кроме того, ПЭТ волокна с нанотрубками и коллагеном имеют лучшую
гемосовместимость. Ученые установили, что уровень разрушения эритроцитов у
разработанного имплантата снижен до 0,8%, когда как у обычных ПЭТ волокон этот
показательно составляет 1,45%. Такая особенность позволяет использовать новую
технологию для создания сердечно-сосудистых имплантатов, постоянно
контактирующих с кровью.
Исследователи предполагают, что разработанная ими технология позволит
сократить время реабилитации пациентов в среднем на семь недель. Кроме того,
ученые ожидают, что отторжение имплантата в краткосрочной перспективе снизится в
2,5 раза по сравнению с существующими образцами. Также авторы продолжат работу
над нанопокрытием: необходимо сделать так, чтобы оно дольше сохранялось на
поверхности волокон. Тогда клетки будут эффективнее прикрепляться к имплантату,
и в результате он лучше приживется. После этого можно будет проводить
доклинические исследования и регистрировать разработку как медицинское изделие.