В нашем университете разрабатывают технологию направленной модификации поверхностей биосовместимых пластиков и увеличения ростовой активности с целью сокращения периода интеграции импланта.
Статья серьезная, так что многие термины поймут только специалисты, но уже работаем над тем, чтобы преподносить сложный материал простым языком.
Цель работы
Предлагаемая технология позволит обеспечить увеличение количества клеток, которые бы росли на модифицированной поверхности относительно немодифицироанной поверхности, в 5-6 раз за первые несколько суток после их закрепления. За счет такого увеличения роста клеток уже имеется возможность сокращения периода интеграции импланта, что особенно актуально при восстановлении костной ткани. И это несмотря на то, что изучаемые процессы происходят в течение небольшого промежутка времени, на первичной стадии интеграции импланта, когда клетки прикрепляются к внедренной новой поверхности.
«Цель была в том, чтобы разработать технологии модификации, которые позволяли бы существенно улучшить рост остеобластов на поверхности биопластиков, и с учетом биодеградации полимера, в перспективе обеспечить их рост и формирование ткани в том пространстве, которое находится между внедряемым имплантом (например, на основе титана) и тканью живого организма. Биоразлагаемые биопластики – это, например, полимеры на основе полилактида (наиболее распространенные). При этом важно соблюсти условие, что скорость их биодеградации остается такой же, как и скорость выращивания костной ткани. Чтобы, пока они деградируют, костная ткань нарастала».
Алексей Ромашкин
Эксперименты in-vitro
В ходе экспериментов на клетках, вне живого организма, ученые получили стабильное увеличение количества клеток, вырастающих на модифицированной поверхности. Эксперимент проходил в лаборатории культур клеток в НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи (бывший НИИ вирусологии им. Д. И. Ивановского). Модификацию предполагалось проводить двумя способами. Первый – это модификация в плазме. В качестве биопластика был выбран полилактид: из него делались пленки и потом модифицировались в аргоновой плазме. Еще один вариант модификации был за счет молекул волокон природных биополимеров. Выбор пал на коллаген, который является основным компонентом соединительной ткани: костей, сухожилий, хрящей и других.
На этом этапе ученые столкнулись с проблемой: большинство методов нанесения коллагена основано на том, что используются такие растворы, которые так или иначе повреждают его структуру. А если структура повреждена, и наши ученые это тоже проверили, клеткам становится все равно, есть коллаген или его нет. То есть, последовательность аминокислотных остатков, которая присутствует на поверхности волокна в определенных точках, при нарушении структуры волокна, не срабатывает.
Ученые поняли, что технология должна быть разработана такая, чтобы она ни в коем случае не повреждала природную структуру волокна коллагена. Им приходилось работать с очень нестабильными водными растворами коллагена. Чтобы понять эту нестабильность, попробуйте размешать в воде сахар. Положите в кружку хоть десять кубиков сахара, и вы все равно получите просто раствор: в осадок он не выпадает, никак не расслаивается. Такой раствор можно наносить, переливать и т.д. С коллагеном так не получится: добавляем его в виде порошка, а он выпадает сразу в осадок. То есть, время, пока он падает в осадок и расслаивается, очень маленькое. Как же его наносить, если он весь неоднородный? «Мы применили ряд подходов по его размешиванию и ультразвуковой обработке, то есть, действовали не химическими, а физическими методами, – говорит Алексей Ромашкин. – И получили не раствор, а достаточно стабильную дисперсию (когда отдельные крупные частицы «плавают»), с которой можно работать. Способ нанесения мы выбрали аэрозольный: он удобен тем, что его можно наносить на изделия сложной формы, что важно при применении в имплантах, а кроме того у нас в рамках выполнения предшествующих работ была установка собственного изготовления, позволяющая осуществить такое нанесение».
Дальше нужно было сделать ряд тестовых подложек и определиться, какая концентрация этих коллагеновых волокон на поверхности дает нужный эффект. «Удивительным оказалось то, что у нас получилось увидеть существенное увеличение количества клеток, когда коллаген есть и когда его нет, уже при 1% заполнения площади поверхности. То есть, даже если его крайне мало, для клетки это все равно существенно. Клетка – размером порядка 20 на 20 микрон. И если на этой площади оказывается десяток тонких, диаметром менее 100 нанометров, волокон, это уже вносит существенный вклад в то, как она будет закрепляться и расти. Большие концентрации делать совершенно не обязательно. И эта технология применима для поверхностей любой формы, к чему мы и стремились изначально».
Для экспериментального нанесения ученые использовали стеклянные подложки, покрытые слоями титана и полилактида. Лучшие результаты были получены с проведением плазмообработки и наличием коллагена. Ученые добились улучшения ростовой активности клеток на модифицированной поверхности, и теперь готовятся к проведению более серьезных испытаний – на живых организмах.
Перспективы
Сейчас возможность новых испытаний обсуждается с индустриальным партнером проекта – Зеленоградским нано-технологическим центром (ЗНТЦ). На описанные способы модификации уже получены патенты, а часть находится на стадии экспертизы заявок на изобретения. В случае успешных экспериментов технология получит возможность использования на реальных имплантах. Дальнейшей стадией является регистрация подобных медицинских изделий, после чего появится возможность существенно сокращать период интеграции импланта при помощи предложенной в НИУ МИЭТ технологии модификации.
***
В разработке принимают участие сотрудники Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ: к. т. н. Алексей Ромашкин, к. т. н. Денис Левин, инженер, аспирант кафедры квантовой физики и наноэлектроники Юрий Поликарпов и другие сотрудники. Общее руководство и руководство НОЦ ЗМНТ осуществляет профессор, д. ф.-м. н. Владимир Кириллович Неволин. Индустриальный партнер – Зеленоградский нанотехнологический центр.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 14.575.21.0125 (уникальный идентификатор RFMEFI57517X0125) в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».