Рассказываем об исследованиях и разработках нескольких молодых ученых

Наука и жизньНаука

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год

Материалы подготовили Татьяна Зимина и Максим Абаев.

В феврале 2022 года состоялось награждение молодых учёных — лауреатов премии Правительства Москвы. Премии за достижения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, способствующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы, присуждаются ежегодно. В апрельском номере журнала рассказывалось об исследованиях и разработках нескольких лауреатов 2021 года (см. «Наука и жизнь» № 4, 2022 г.). Представляем ещё три работы.

Композиты для костных имплантатов

Некоторые травмы и болезни костей, суставов, кожи приводят к потере фрагментов этих органов, что нередко влечёт за собой инвалидность пострадавшего человека. Избежать инвалидности помогает реконструктивная медицина — восстановление утерянного или разрушенного костного, хрящевого или кожного фрагмента с помощью искусственных имплантатов.

На сегодняшний день реконструктивная медицина достигла очень неплохого уровня благодаря новым материалам, из которых изготавливают имплантаты, и технологиям, позволяющим получать изделия сложной формы, точно отвечающие конфигурации замещаемого дефекта, и, конечно, таким методам диагностики, как МРТ и КТ, с помощью которых эти сложные формы выявляют. Требования к замещающим изделиям известны: они должны быть совместимы с организмом человека, то есть не отторгаться и не быть для него токсичными, и обладать определёнными механическими свойствами — прочностью, пластичностью, стойкостью к циклическим нагрузкам. Кроме того, очень желательно, чтобы имплантаты постепенно распадались (деградировали, этот процесс называется биорезорбцией) в живом организме, впоследствии замещаясь на собственную новую костную, хрящевую или кожную ткань. Эта новая концепция, пришедшая взамен концепции замещения, называется инженерией костной ткани.

Суть тканевой инженерии — регенерация биологических тканей при помощи несущих конструкций (матриксов) из биорезорбируемого материала в сочетании с донорскими клетками или биоактивными веществами (например, противомикробными лекарствами, белками). На этом матриксе, который имплантируют в повреждённый орган или ткань, и будет наращиваться новая собственная ткань.

Материал для матрикса должен обеспечивать надёжную опору в зоне повреждения в период регенерации, обладать структурообразующими свойствами, противостоять сжимающим напряжениям, которые могут возникать при «засеивании» его клетками на стадии до имплантации и при прорастании в него клеток уже внутри организма. При этом донорские клетки и биологически активные вещества (в случае их использования) должны иметь хорошее сцепление с его поверхностью, то есть обладать хорошей адгезией. Адгезивные свойства матрикса обеспечиваются определённым химическим составом материала.

Сегодня немалые надежды в регенеративной медицине возлагают на материалы на основе фосфатов кальция, которые по своему составу довольно близки к натуральной костной ткани. Помимо того, что они не вызывают отрицательных иммунных реакций, продукты их распада нетоксичны для организма. Исследователи работают над созданием таких материалов, биорезорбция которых идёт со скоростью, близкой к скорости образования новой костной ткани. Причём акцент делают на керамических материалах, обладающих подходящими механическими свойствами.

Подобными исследованиями занимаются в Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН). Сотрудники института, среди которых кандидат технических наук Маргарита Гольдберг и кандидат технических наук Анастасия Тетерина, разработали технологии получения новых композитных материалов для многих медицинских применений. В их числе остеопластические материалы на основе фосфата кальция. Прежде чем приступить собственно к разработкам технологий, материаловеды сосредоточились на исследовании того, как состав и структура материалов оказывают влияние на их способность к образованию нужной формы (то есть на формообразование), как могут влиять на свойства конечного продукта условия его получения, например, температура, а также те или иные микродобавки.

Созданные в ИМЕТ РАН кальций-магний-фосфатные материалы с новыми составами, получаемые по новой технологии синтеза в одном сосуде, имеют пастообразную консистенцию и не требуют предварительного механического смешения порошков компонентов — это существенно упрощает их применение для замещения дефектов костной ткани. Да и их механические свойства и биологический отклик стало легко прогнозировать, что не скажешь про классические кальций-фосфатные цементные материалы. Многие же свойства новых материалов (физико-химические, время схватывания, прочность, растворимость в организме) оказались лучше мировых аналогов.

Инновационные материалы с введённым в них антимикробным препаратом ванкомицином испытали на мелких лабораторных животных. Антимикробные препараты нужны для предотвращения возможных воспалительных процессов после им-плантации искусственных заместителей. причём если эти препараты вводить непосредственно в имплантат, то лекарство будет доставляться непосредственно в поражённый участок. Эксперименты показали, что новые композиты обладают остеокондуктивными свойствами, то есть способны служить каркасом, к которому костные клетки (остеобласты и остеокласты) могут прикрепляться, мигрировать на нём, расти и делиться.

Структуру материала можно менять, добавляя в него примеси (допирующие добавки). В случае материалов на основе фосфатов кальция речь идёт о литии, алюминии, железе. А изменение структуры влечёт за собой и изменение свойств. Сотрудники ИМЕТ РАН разработали методы синтеза порошков катион-замещённых фосфатов кальция с наноструктурой и мезопорами, обладающих очень большой, даже рекордной удельной поверхностью (до 195 м2/г), и получили материалы, перспективные в качестве носителей лекарственных веществ и других биоактивных молекул.

Применение в совсем другой области — в качестве катализатора для очистки нефтепродуктов от серы — нашли синтезированные железо-замещённые мезопористые материалы на основе гидроксиапатита (формула Ca10(PO4)6(OH)2). Серосодержащий компонент нефти (дибензотиофен) в присутствии такого катализатора подвергается 100%-ной конверсии за 25—30 минут. Такие результаты продемонстрированы впервые в мире.

В реконструктивной медицине помимо «чисто» магний-фосфатных материалов всё больший интерес вызывают композиты с биосовместимыми полимерами. Как пояснила Анастасия Тетерина, биополимер-фосфаты кальция предназначены для дефектов с меньшей механической нагрузкой, чем магний-фосфатные материалы, например для замещения хрящевой ткани. Такие материалы обладают более высокой пористостью и скоростью резорбции, а значит, быстрее протекают процессы васкуляризации (образования сосудистой сети) и замещения. Очевидно, что благодаря использованию трёхмерной печати можно получать имплантаты с архитектурой, очень точно повторяющей архитектуру дефекта. Для этого сначала получают трёхмерную модель требуемого фрагмента ткани пациента с помощью, например, рентгеновского компьютерного томографа и затем оперативно изготавливают её точную копию из композита. В поверхность композитного материала можно дополнительно вводить лекарственные средства, факторы роста (это называется биоинспирированием поверхности) — для их локальной доставки в операционную область. Биоинспирирование поверхности материалов обеспечивает сорбцию биологически активных веществ из биологических жидкостей организма, то есть служит своего рода залогом качественной интеграции имплантата с окружающими тканями и быстрого формирования собственного костного эквивалента.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
Кнут Гамсун Кнут Гамсун

Кнут Гамсун говорил от имени нации и тем сильно её скомпрометировал

Дилетант
Супермикроспособности Супермикроспособности

Человеку не дано крыльев, вечной жизни и способностей к телепортации

Maxim
В такси на Дубровку В такси на Дубровку

Ищешь живописное место для фотосессии? Советские фильмы знают ответ!

Лиза
Мир после запятой Мир после запятой

Как метрология помогает наукам развиваться, а людям объединяться

Наука и жизнь
Буль-буль Буль-буль

Фантастический рассказ Владислава Кулигина «Буль-буль»

Знание – сила
10 неожиданных вопросов Кате Гусевой 10 неожиданных вопросов Кате Гусевой

Расспросили королеву ремиксов Катю Гусеву о вере в приметы и любви к собакам

VOICE
Через санкции к росту Через санкции к росту

Как российская экономика ищет способы сотрудничества с глобальными игроками

Эксперт
Мурат Абулкатинов: Не надо пытаться быть больше, чем ты есть Мурат Абулкатинов: Не надо пытаться быть больше, чем ты есть

Режиссер Мурат Абулкатинов — о том, что ему нравится в шекспировской драматургии

Ведомости
Эра литий-ионных аккумуляторов Эра литий-ионных аккумуляторов

Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техника
О чем молчат рекорды HoReCa О чем молчат рекорды HoReCa

Будут ли все последствия смещения потребления с кухни в ресторан положительными?

Агроинвестор
Тюрьма народов Тюрьма народов

Как побег из Алькатраса лишь укрепил имидж легендарной тюрьмы

Дилетант
Чистая правда Чистая правда

Хорошо умываться – значит, до «скрипа» кожи? Все с точностью до наоборот

Лиза
Японский десант на Великих озерах Японский десант на Великих озерах

Большое поглощение в мировой металлургии все-таки состоится

Монокль
Маленькие шаги к переменам Маленькие шаги к переменам

Интервью с создателем инклюзивных раскрасок и игрушек Натальей Пониной

Лиза
«Пишите… А. Куприн» «Пишите… А. Куприн»

Эмиграция сложилась для Куприна не просто трудно, а скорее — трагически

Дилетант
Быстрый платеж Быстрый платеж

Оплата покупок по QR-коду: в чем выгода и в чем подвох

Лиза
Как Ленин дэвов побеждал Как Ленин дэвов побеждал

Какие отпечатки оставили на народах России события на рубеже XIX и XX веков

Дилетант
Вековые традиции Вековые традиции

Не получается нарисовать стрелки, а тени сразу скатываются?

Лиза
Золотой век английской карикатуры Золотой век английской карикатуры

«Отечество карикатуры и пародии» — об Англии Георгианской эпохи

Дилетант
Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техника
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Стимулы вместо принуждения Стимулы вместо принуждения

Чем биржевая торговля сельхозпродукцией может быть интересна бизнесу

Агроинвестор
15 уроков периода высоких ставок глазами банкира 15 уроков периода высоких ставок глазами банкира

Что мы поняли за годы высоких ставок?

Ведомости
Что следует знать начинающему инвестору Что следует знать начинающему инвестору

Что надо знать, когда планируете начать инвестировать?

Наука и техника
Мир экзопланет: самые странные экзопланеты Мир экзопланет: самые странные экзопланеты

Как появляются пульсарные планеты, планеты-зомби и бланеты

Наука и техника
Весна императора Весна императора

Цезарь — политик-хищник, с чьим именем неотрывно связана Римская империя

Знание – сила
Передвижники и императорская власть Передвижники и императорская власть

Как передвижники получили признание императора Александра III

Знание – сила
Вяземские Вяземские

Происходивший от Рюрика княжеский род Вяземских известен ещё со Средневековья

Дилетант
Кто открыл лазейки в вузы Кто открыл лазейки в вузы

Школьные олимпиады становятся местом отработки способов незаконного поступления

Монокль
Открыть в приложении