Рельеф костности: инновационные биопленки ускорят приживаемость имплантатов

Российские ученые протестировали несколько вариантов полимерных биопленок и выбрали те варианты, которыми можно покрывать вживляемые в человеческий организм имплантаты. Материалы, вырабатываемые бактериями, будут способствовать ускоренному формированию новых тканей, вызывая при этом минимальную реакцию на инородное тело. Эксперты рассказали «Известиям», что технология будет незаменима после операций, включающих эндопротезирование. И отметили, что сейчас такие покрытия разрабатывают во многих научных коллективах из-за их перспективности.

Приживаемость имплантатов

Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) протестировали несколько разновидностей биополимерных пленок, которые могут применяться для изготовления имплантатов в хирургии. Об этом «Известиям» сообщили в пресс-службе Минобрнауки.

Изучив их свойства, исследователи выделили те виды, которые будут способствовать ускоренному формированию новых тканей в организме человека, вызывая при этом минимальную реакцию на инородное тело.

Пленки созданы на основе полигидроксиалканоата (ПГА) — полимерного материала биологического происхождения, исследования которого ведутся на базе СФУ более десяти лет. Существенная разница изготовленных пленок, принимавших участие в эксперименте, состоит в особом рельефе поверхностей.

— Биополимер создают бактерии. В зависимости от того, чем мы кормим эти микроорганизмы, получаем полимеры различного состава, — рассказала «Известиям» соавтор исследования, младший научный сотрудник лаборатории биотехнологии новых биоматериалов, ассистент кафедры медицинской биологии СФУ Галина Рыльцева. — От рисунка рельефа, который естественным путем получается на каждом из четырех видов пленок, зависит, как будут реагировать клетки организма — в частности, насколько интенсивной будет реакция воспаления, а она неизбежна даже на такой низкоаллергенный природный материал, как биополимер.

Акцент на «воспалительный потенциал» пленок неслучаен. По словам исследователя, полученными составами можно покрывать различные имплантируемые в организм человека хирургические изделия, такие как металлические имплантаты для восстановления конечностей при переломах, а также кардиологические, урологические, гастроэнтерологические стенты.

Первая «линия обороны» организма, реагирующая на появление инородного тела, — кровь, поэтому ученые изучили, как на пленки из биополимера реагируют красные кровяные тельца — эритроциты. Важной «мишенью» стали также моноциты — клетки крови, участвующие в обнаружении и уничтожении любого инородного агента, попавшего внутрь человеческого тела. Еще исследователи изучили реакцию на биопленки фибробластов — излишние скопления этих клеток могут приводить к образованию фиброзов и рубцовых изменений в органах и тканях.

Ученым нужно было создать наиболее природоподобную структуру с той пористостью, кристалличностью, рельефом, которые в наибольшей степени поспособствуют нарастанию клеток и формированию здоровой ткани вокруг имплантата, попутно снижая воспаление.

— Пленка должна быть практически «невидима» для организма и в идеале улучшать восстановление и заживление тканей, — продолжила Галина Рыльцева.

Зачем нужны биопленки

Пленки формируются в лаборатории биотехнологии новых биоматериалов СФУ из порошкообразного биополимера, растворенного в хлороформе. При испарении растворителя образуется пелена с индивидуальным рельефом поверхности. Каждый из четырех видов изученных пленок обладает различного размера порами, разной прочностью и так далее. Именно эти характеристики покрытий будущих имплантатов должны подавать положительные сигналы клеткам человеческого организма, чтобы быстрее восстанавливались ткани и органы после травмы и (или) оперативного вмешательства.

— Фактически, имитируем с помощью пленок экстраклеточный матрикс. Если взять любую ткань в организме человека — костную, мышечную, эпителиальную — и «убрать» клетки, окажется, что они крепятся на такой вот природный естественный матрикс с уникальной пористой поверхностью. Мы пытаемся добиться подобной структуры с помощью биополимеров, чтобы на них образовывалась такая естественная ткань, — объяснила «Известиям» Галина Рыльцева.

Особенность работы, проведенной в ИТМО, заключается в разработке цифровых моделей таких покрытий. Специалисты строят цифрового двойника материала, анализируют его структуру, шероховатость, механические и физико-химические свойства, а также прогнозируют его поведение в организме.

— Это позволяет нам предсказывать скорость и особенности разрушения покрытия, его взаимодействие с биологической средой, а также регулировать высвобождение активных веществ, если таковые вводятся в состав пленки. Использование современных методов атомно-силовой микроскопии и моделирования в потоке дает возможность заранее определить, как материал поведет себя в конкретных условиях эксплуатации, — сказала «Известиям» директор научно-образовательного центра инфохимии ИТМО, доктор химических наук Екатерина Скорб.

Разработка специальных пленок, которые наносятся на импланты, перспективна, отметил руководитель лаборатории проектирования биопротезов Центра НТИ СамГМУ Андрей Николаенко. После операций, включающих эндопротезирование, пациентов зачастую ждет трудная реабилитация и длительный процесс восстановления, поэтому любые разработки, способные облегчить этот процесс, крайне необходимы.

— Подобные пленки разрабатывают многие специалисты — например, ученые Самарского медицинского университета применяют покрытие из полимерных пленок, которые разрушаются в организме, высвобождая лекарство, — прокомментировал эксперт.

По мнению ученых, следующим шагом может стать разработка биоразлагаемых стентов, востребованных в кардиологии для лечения сосудистых заболеваний. С учетом перспектив исследователи уже изучают реакцию клеток эндотелия (ткани, выстилающей кровеносные и лимфатические сосуды) на биопленки с разнообразными поверхностями.

Испытания проводились на культуре клеток, в дальнейшем пленки из биополимера с различным рельефом поверхности пройдут проверку in vivo на живых организмах.