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

Батальоны просят бамбук! Батальоны просят бамбук!

Конструкторы много дров наломали, собирая артиллерию из дерьма и палок

Maxim
Невидим, свободен... Невидим, свободен...

Теоретики рассматривали двумерные структуры на основе углерода ещё в XX веке

Наука и жизнь
Робин из Локсли Робин из Локсли

О Робин Гуде сложены несколько десятков баллад

Дилетант
Футбол и лирика: в прокат вышел документальный фильм о клубе «Манчестер Юнайтед» Футбол и лирика: в прокат вышел документальный фильм о клубе «Манчестер Юнайтед»

До российского проката добрался документальный фильм «Великий «Юнайтед»

Forbes
5 дневных привычек, которые мешают тебе нормально заснуть ночью 5 дневных привычек, которые мешают тебе нормально заснуть ночью

Проблемы со сном беспокоят многих. Как их избежать?

Лиза
Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер Как вернуть ребенка в школу после каникул? Отвечает Дима Зицер

Как начать учебный год без скандалов, слез и уговоров?

СНОБ
Менеджеры паролей – кто остался на рынке? ТОП-5 решений. Выбираем лучшие программы, заменяющие стикер на мониторе Менеджеры паролей – кто остался на рынке? ТОП-5 решений. Выбираем лучшие программы, заменяющие стикер на мониторе

Чем проще пароль, тем легче его подобрать, а чем сложнее – тем легче забыть

Цифровой океан
6 удивительных фактов о животных, в которые многие до сих пор не верят 6 удивительных фактов о животных, в которые многие до сих пор не верят

Животные никогда не перестанут удивлять нас

TechInsider
Священные правила окрошки: как ее готовили на Руси Священные правила окрошки: как ее готовили на Руси

Можно ли готовить окрошку на кефире? А на рассоле?

Maxim
Что мешает вашей карьере: 3 шага для преодоления вредных установок Что мешает вашей карьере: 3 шага для преодоления вредных установок

Почему ваша карьера никак не складывается?

Psychologies
Ангел смерти: история медсестры Дженин Джонс, которая убивала детей, чтобы ее похвалили Ангел смерти: история медсестры Дженин Джонс, которая убивала детей, чтобы ее похвалили

С детьми происходило странное: одни переставали дышать, другие конвульсировали

The Voicemag
Почему не приходят уведомления в Android: 5 причин и способы их решения Почему не приходят уведомления в Android: 5 причин и способы их решения

Пользователи Android часто сталкиваются с отсутствием уведомлений от приложений

CHIP
Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира Люди + технологии = любовь. Как не терять связь даже на разных концах мира

Самые удивительные способы быть ближе даже сквозь расстояния

Правила жизни
«Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове». Все об устройстве и работе мозга «Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове». Все об устройстве и работе мозга

Пора заглянуть внутрь: что же происходит в мозге, когда мы ничем не заняты?

N+1
Чему можно научиться у нейросетей Чему можно научиться у нейросетей

4 урока работы с искусственным интеллектом

Reminder
3 современные российские книги о детско-родительской травме 3 современные российские книги о детско-родительской травме

Бибилиотерапия, которая поможет осмыслить детско-родительские травмы

Psychologies
«Не слушайте бабушек»: Людмила Петрановская объяснила, почему современные мамы чаще выгорают «Не слушайте бабушек»: Людмила Петрановская объяснила, почему современные мамы чаще выгорают

Почему родители XXI века привыкли испытывать постоянное чувство вины?

Psychologies
Неужели паре пришел конец? Неужели паре пришел конец?

На что надеяться в любви, а от чего предстоит отказаться?

Psychologies
Бессмертие ей к лицу: почему после Бессмертие ей к лицу: почему после

Почему рухнула карьера Эшли Грин?

The Voicemag
Больше половины видов с неясным природоохранным статусом оказались под угрозой исчезновения Больше половины видов с неясным природоохранным статусом оказались под угрозой исчезновения

Ученые создали компьютерную модель, которая оценивает риск исчезновения видов

N+1
Как мы дошли до спотифая? Краткая история звукозаписи Как мы дошли до спотифая? Краткая история звукозаписи

Звучащая речь из 19 века преодолела свой путь в 21 век силами не одного ученого

TechInsider
Что запускать и где взять деньги: венчурный гид по Латинской Америке Что запускать и где взять деньги: венчурный гид по Латинской Америке

Как устроен венчурный рынок в Латинской Америке

Forbes
«Суббота — день обнимашек»: 4 новых факта об объятиях «Суббота — день обнимашек»: 4 новых факта об объятиях

Как связаны объятья, настроение и удовлетворенность жизнью?

Psychologies
Экономные наши! Звезды, которым не стыдно дважды надевать одно и то же Экономные наши! Звезды, которым не стыдно дважды надевать одно и то же

Некоторые звезды без проблем носят одни и те же вещи по два, три, пять раз!

The Voicemag
Успеть за 26 дней Успеть за 26 дней

7 интересных мест для путешествий по России

Лиза
Переславль-Залесский: для дачников, моряков и не только Переславль-Залесский: для дачников, моряков и не только

Лето в одном из самых красивых городов Золотого кольца

Лиза
Токсичные родители: стоит ли прекратить общение? Токсичные родители: стоит ли прекратить общение?

Поможет ли взрослым людям полный разрыв с родителями-агрессорами?

Psychologies
Растянутая футболка или стильный халат: зачем нужно красиво одеваться дома? Растянутая футболка или стильный халат: зачем нужно красиво одеваться дома?

Почему мы на улице и мы дома — два разных человека?

Psychologies
О чем говорит поведение мужчин после ссор? Мнение психолога О чем говорит поведение мужчин после ссор? Мнение психолога

Узнай новое о своем любимом по тому, как он ведет себя после ссоры

The Voicemag
Шеф-повар Мирко Дзаго — о штрафбате и мишленовских проектах Шеф-повар Мирко Дзаго — о штрафбате и мишленовских проектах

Шеф-повар Мирко Дзаго — о работе в мишленовских проектах и своем видении кухни

РБК
Открыть в приложении