В научно-исследовательском центре «Физическое материаловедение и композитные материалы» при ТПУ разрабатывают биосовместимые покрытия для имплантатов и скаффолды для замены утраченных костей. Кроме того, здесь создают электронную кожу, которая сможет контролировать главные жизненные показатели пациента и сигнализировать об их изменении.
Первый подобный проект ТПУ начал пять лет назад при поддержке Российского научного фонда. С годами к работе присоединился московский центральный НИИ травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова, Сибирский и Саратовский медицинские университеты. Здесь разрабатывают составы биосовместимых сплавов для металлических костных имплантатов, занимаются этим специалисты по материаловедению.
Роман Сурменев, директор научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы», рассказал, что новизна разработки состоит в применении аддитивной трехмерной печати, который позволяет получать изделие любой формы, геометрии и размера по компьютерной модели, исходя из потребностей каждого пациента. Фактически, для разработок применяют 3D-принтер. Традиционно костные имплантаты создают из титана или его сплава с алюминием и ванадием. В ТПУ предлагают вместо этого использовать ниобий и цирконий. Одна из трудностей – воссоздать на 3D-принтере пористую структуру кости. Разработанные в Политехе имплантаты уже прошли доклинические исследования на мышах в Саратове и в Москве; их биосовместимость подтвердилась. Следующий этап – провести испытания на свиньях, а после – на людях. Печатали кости в Швеции, у партнеров томского НИЦ по исследованиям.
Томские ученые не останавливаются на создании имплантатов, а улучшают свойства их поверхности химическими и физическими способами, чтобы контролировать биосовместимость или биоактивность изделия.
Старший научный сотрудник НИЦ Мария Сурменева поделилась одним из немногих примеров использования аддитивной печати в медицине: применяет ее итальяно-шведский консорциум LimaCorporate и Arcam, где печатают тазобедренные суставы. Речи об изготовлении индивидуальных протезах не идет даже там: компания выпускает изделия самых популярных размеров. Трудность выпуска индивидуальных имплантатов полностью зависит от несовершенства лицензионного законодательства во всем мире.
Когда не требуется полная замена кости на имплантат, можно помочь срастанию, используя специальные скаффолды – полимерный композиционный материал, который имитирует структуру костных тканей, несет в себе заживляющие препараты и исчезает, когда кость срастается. В Томском политехническом университете в качестве материала для них используют полиоксиалканоаты — биодеградируемые полимеры, которые вырабатывают бактерии. Получают скаффолды методом электроформования полностью на оборудовании ПТУ. Эта технология также прошла доклинические испытания на грызунах, сейчас идет подготовка к клиническим испытаниям.
НИЦ «Физическое материаловедение и композитные материалы» работает также над пьезоматериалами, производящими при физическом воздействии небольшой электрический заряд. Этот эффект, примененный в имплантате, ускорит заживление при переломе. Из него также можно создать «протез» кожи и снабдить магнитными и другими датчиками. В таком случае электронная «кожа» будет улавливать малейшие изменения состояния организма и отправлять сигнал приемнику.
Роман Сурменев пояснил: «Мы разрабатываем материалы с пьезоэлектрическими свойствами, чтобы в дальнейшем делать такие устройства. В качестве основы используем те же полиоксиалканоаты, они тоже пьезоэлектрики. Допустим, мы поместили пьезоэлемент в костный дефект, и на него осуществляется какая-то нагрузка. На поверхности материала генерируется электрический заряд, который или привлекает, или отталкивает определенный тип клеток. Например, привлекает клетки-остеобласты, которые участвуют в заживлении, и отталкивает бактерии».
