Кости по индивидуальному проекту. Скаффолды, которые сами собой рассасываются в организме после восстановления ткани. Нанороботы, способные доставить лекарство в конкретную область организма и обеспечить его адресное высвобождение. Искусственные синапсы, связывающие нейроны головного мозга и системы энергонезависимой памяти для нейроморфотропного программирования. Всеми этими разработками занимается научная группа профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха Романа Сурменева.
Почему медицинскими разработками занимаются политехники? Потому что медики не могут сами синтезировать необходимый им материал, для этого нужны компетенции ученых-химиков, материаловедов и физиков.
«Мы, в свою очередь, не можем сразу апробировать материал, поскольку не можем оптимизировать свойства материала с точки зрения его биологических характеристик. Невозможно создать оптимальные в применении материалы без тех, кто с ними непосредственно работает», — поясняет Роман Сурменев и подчеркивает, что весь современный прогресс опирается на междисциплинарный подход.
Вся мировая наука делается молодежью
В научной команде Романа работают 20 человек — физики, материаловеды, химики, биохимики, специалисты биологического профиля. Большинство из них – студенты и аспиранты, но есть и уже опытные ученые – молодые кандидаты наук.
«Это принципиальная позиция. Вся мировая наука делается молодежью. Молодость – тот период, когда человек наиболее активен, у него есть научный драйв и амбиции. Но важно, чтобы рядом оказались более опытные коллеги», — считает руководитель научной группы.
Коллектив разрабатывает и исследует новые биодеградируемые материалы для восстановления костных дефектов, способы модифицирования поверхности материалов и моделей биомедицинских имплантатов.
Ученые развивают аддитивные технологии – технологии объемной и трехмерной печати с использованием практически любых материалов. Они позволяют получать изделия заданного размера, структуры, пористости и формы по компьютерной модели для применения в медицине, робототехнике, автомобилестроении. Ниша политехников – материалы на основе металлов для изготовления имплантатов, элементов гибкой биомедицинской электроники и робототехники.
Еще одно направление молодых политехников – многомасштабное моделирование различных свойств перспективных материалов с использованием первопринципного подхода, что позволяет оптимизировать материалы уже на этапе проектирования.
«Умные» материалы
Коллектив Романа Сурменева один из немногих в России создает «умные» материалы с пьезо- и магнитоэлектрическими свойствами для биомедицины. Эти материалы способны производить небольшой электрический заряд без внешнего электрического источника в результате механической деформации или нагрузки. Еще они могут передавать энергию беспроводным способом при воздействии магнитных полей, безопасных для человека.
«Пьезо- и магнитоэлектрические материалы — это вещества, состоящие из нескольких компонентов с различными физическими и химическими свойствами. Это позволяет получать материалы с улучшенными характеристиками для решения научных и практических задач, которые не под силу известным аналогам», — поясняет Роман Сурменев.
Суть магнитоэлектрического эффекта в следующем. Магнитоэлектрические материалы состоят из магнитострикционного компонента (ядра) и пьезоэлектрической оболочки. Когда происходит механическая деформация ядра за счет магнитного поля, то создается микронапряжение в пьезооболочке и на ее поверхности возникает электрический заряд.
«Под действием внешнего магнитного поля мы можем перераспределять этот поверхностный заряд, то есть менять поляризацию. Возможность изменения поляризации придает уникальные свойства таким материалам. Например, контролируемая доставка и высвобождение лекарств в организме человека неинвазивным способом, что выгодно отличает наши разработки от известных аналогов.
Наши материалы не содержат токсичных элементов, частности, свинца, что делает их биосовместимыми. Мы работаем над тем, чтобы обеспечить необходимые характеристики при отсутствии свинца, сохранить и улучшить свойства материалов путем модификации их структуры и фазового состава», — рассказывает ученый.
Скаффолды
Разработка различных видов скаффолдов – самая популярная мировая практика. Это клеточные матрицы, которые применяются для регенерации различных типов тканей и обычно используются в сочетании с биологическими носителями. Своеобразные «строительные леса» для костей и клеток. Материалом для них служат полимеры и композиты. Уникальная разработка научного коллектива – скаффолды из полиоксиаканоатов – биодеградируемых полимеров, которые производятся бактериями. Такие скаффолды абсолютно нетоксичны, растворяются в организме после образования новых костных тканей, а продукты распада выводятся из организма без побочных эффектов. Предложенная политехниками технология уже прошла доклинические испытания.
О наночастицах для тераностики
Наночастицы, обладающие магнитными или магнитоэлектрическими свойствами, могут выступать носителями лекарственных препаратов и использоваться как самостоятельное «лекарство». Их инжектирование в определенные области коры головного мозга приводит к тому, что, внешне воздействуя на электрическое поле, можно управлять поведением живого объекта – стимулировать или подавлять активность. Это связано с тем, что частицы изменяют свое зарядовое состояние, а заряд посредством электрических взаимодействий с тканями обеспечивает определенный физиологический эффект.
«Сейчас мы активно изучаем такой потенциал наноструктур для разработки на их основе нейростимуляторов для лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера. Эта задача — вызов для ученых по всему миру, и она до сих пор не решена», — подчеркивает Роман Сурменев.
Еще одна возможность наноструктур – вызывать заданные химические и биохимические реакции на уровне клеток. То есть можно «запускать» не только регенерацию, но и обратный эффект. Это может стать действенным методом борьбы с раковыми клетками.
Что дальше?
Разработка материалов со структурой трижды периодических поверхностей минимальной энергии — одно из последних достижений научного коллектива. Эти материалы перспективны для биомедицинских имплантатов и энергопоглощающих структур. Политехники рассматривают способы их получения методом аддитивной печати.
Еще одно перспективное направление связано с разработкой магнитоактивных кондуитов – искусственной трубчатой полости на основе пьезополимеров и магнитных наночастиц для восстановления нервной ткани. Сейчас проводятся клеточные исследования с применением переменного магнитного поля для оценки их биосовместимости и биоактивности.
Относительно новое направление работы коллектива – получение материалов и устройств, обеспечивающих взаимодействие человека и компьютера, функционирование нейронных сетей и методов обработки больших данных. Во всех этих направлениях разрабатываемые на базе научных центров ИШХБМТ материалы конкурентоспособны с мировыми аналогами.
