Искусственные связки на основе нанотрубок и коллагена

Искусственные связки на основе нанотрубок и коллагена

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

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.

Отдел стратегических коммуникаций Сеченовского
университета

Иллюстрация: Проекции микротомографии (a, c, e, g, i, k) и
трехмерные изображения (b, d, f, h, j, l) поперечного канала
бедренной кости для контроля слева и экспериментальные правые
коленные суставы через 1, 3 и 6 месяцев после имплантации.
Источник: Gerasimenko et al /
Int. J.
Mol. Sci., 2020

Источник: scientificrussia.ru