Физики сердца

Как биологам и медикам не обойтись без физиков и наоборот

Если 20-е столетие в медицине было веком всевластия антибиотиков, то 21-е точно станет веком физики и робототехники в медицине. Потому что все значимые открытия в этой сфере с начала века были бы невозможны без участия физиков, материаловедов и программистов - это и искусственное сердце AbioCor, и биоискусственная печень, и таблетка с камерой для замены эндоскопии. В Томском политехе над развитием биомедицинских технологий трудятся ученые из самых разных школ и коллективов. И в этом номере мы познакомим вас с одной из таких научных групп из Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов. Руководит ею профессор Владимир Пичугин.

Депо для азота и поворот к биомедицине

«Научная база» коллектива Владимира Федоровича располагается в 19-м корпусе. Знакомство с самим профессором и его младшими коллегами начинается не сразу — приветственные фразы заглушает установка для магнетронного распыления. Ее сделали меньше года назад в томском Академгородке. И сейчас ученые ТПУ ее «обкатывают»: настраивают режимы работы, ищут недостатки, которые нужно устранить перед выходом установки к потенциальным заказчикам. Но на время интервью ее все-таки решили остановить.

— Да, это наша самая главная установка, — показывает Владимир Федорович на источник недавнего шума. — Она работает с низкотемпературной плазмой — температура электронов в ней порядка 1500 К. На ней мы решаем и фундаментальные, и практические вопросы.

Сейчас группа профессора Пичугина объединяет шесть человек. Все они по образованию классические физики. — Но лично я к медицине повернул очень давно. Я много лет работал на кафедре физики твердого тела в Томском политехе. Мы как раз занимались вопросами, как ионизирующее излучение влияет на свойства материалов. И вот в 2003 году мы добрались до биомедицинского применения. Мы с коллегой Сергеем Твердохлебовым (сейчас он доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ — ред.) первыми в стране смогли нанести на титановую подложку тонкое покрытие из гидроксиапатита. Это минеральная составляющая человеческой кости. Тогда это был мощный шаг! В дальнейшем это все вылилось в создание покрытий из гидроксиапатита для титановых имплантатов, чтобы они лучше приживались в организме, — вспоминает Пичугин. — Но позже я выбрал для себя немного другое направление — это покрытия для сосудистых стентов.

Владимир Федорович вместе с коллегами занимается созданием на таких стентах тонких пленок с помощью той самой низкотемпературной плазмы. Сами стенты, как правило, выглядят как небольшие сетчатые пружинки. Профессор показывает один из образцов стента. Его задача — служить каркасом для пораженных и сужающихся сосудов. — Срок службы обычных стентов — примерно 10 лет. А дальше что? Это же большая проблема. Поэтому ученые и врачи ищут способы, как продлить срок службы стентов и параллельно решить другие задачи, вроде ускорения регенерации сосудов и доставки лекарств к пораженным участкам сосудов. Наш коллектив создает для стентов покрытия на основе азотосодержащих пленок оксида титана, — говорит профессор. — Они защищают окружающие ткани организма от материала самого стента, в состав которого входят токсичные добавки, в частности никель — и одновременно продлевают срок их службы. Ведь даже очень тонкая, но выращенная из правильных «ингредиентов», пленка делает стент более прочным и менее подверженным влиянию окружающих жидкостей и тканей в организме. В лаборатории пленки получают таким образом: в установке магнетронного распыления плазма насыщается частицами титана и других элементов, например кислорода, азота. Эти частицы хаотично двигаются, и часть из них оседает на поверхности нужного объекта — в данном случае стента. Частица за частицей оседают на поверхности и образуют между собой связи — получается, что пленка буквально вырастает на стенте. По толщине эти пленки могут быть от 10 нанометров и более. При этом одновременно в установку можно загружать по 15 стентов. И чтобы вырастить на них пленки, уходит около 30 минут.

Сейчас стенты с такими пленками политехники отправили в Польшу. Там компания, выпускающая стенты для сосудистой хирургии и имеющая виварий, исследует образцы томских стентов на животных.

— У наших пленок есть интересная особенность. Во время роста пленок в них формируется оксид азота. Именно газообразный оксид азота, проникая сквозь клеточные мембраны, помогает организму перераспределять кровь между органами. За «открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в регуляции сердечно-сосудистой системы» была вручена Нобелевская премия в 1988 году. Правда, это простое соединение широкой аудитории больше известно благодаря препарату «Виагра», — улыбается ученый. — И наши пленки могут служить чем-то вроде транспортного депо для молекул оксида азота, которые будут стимулировать клеточный метаболизм и восстановление сосудов. Кстати, вот эти процессы диффузии оксида азота мы сейчас исследуем вместе с коллегами из Балтийского федерального университета имени И. Канта.

Плазма животворящая

Плазма, в которой рождаются пленки для стентов, сама по себе ставит перед исследователями много интересных вопросов. Ответы на некоторые из них ищет доцент Кирилл Евдокимов.

— Применение таких установок магнетронного распыления на производстве осложняет один важный момент. Для процесса осаждения нужен реактивный газ — те же кислород и азот. Пока скорость подачи газа увеличивается, растет скорость распыления. Но если подать слишком много газа, скорость распыления сразу падает. И пока пленка, образовавшая за это время на стенте, не разрушится, скорость распыления не восстановится.

И нельзя знать наверняка, на каком этапе находится процесс, — рассказывает Кирилл об удивительных кульбитах в процессе получения пленок. В коллективе предположили, что узнать, что же происходит внутри установки, могут помочь спектры — совокупность частот, на которых вещество поглощает или испускает свет. Они играют роль отпечатков пальцев для каждой молекулы, ведь в природе не существует двух молекул с одинаковыми спектрами. Они дают практически всю информацию о молекуле: ее структуре, качественных и количественных характеристиках внутримолекулярных взаимодействий.

— Это называется оптической диагностикой плазмы. Мы получаем информацию о спектрах всех элементов, которые в данный момент находятся внутри камеры нашей установки. И вот по составу плазмы в данный момент можно судить об этапе процесса, — поясняет молодой ученый. — Если мы будем контролировать спектр в процессе напыления, мы вообще сможем запрограммировать автоматику установки. Кстати, самый главный человек в коллективе, отвечающий за работу всех установок, — ассистент Максим Конищев. Именно он настраивает режимы работы и следит за их состоянием.

Физики против «булл»

Еще одно направление работы коллектива — за его прекрасной половиной. За Екатериной Филипповой и Ниной Ивановой. Девушки занимаются созданием и модификацией трековых мембран из полимеров.

— Из полимера мы делаем пленки толщиной примерно в 10 микрон. Мы их облучаем потоком тяжелых ионов ксенона, криптона, аргона с высоким зарядом. Делаем мы это на циклотроне ТПУ или на установках в Дубне и Евразийском национальном университете имени Гумилева в Астане, — рассказывает Нина. — И вот эти частицы пробивают пленку насквозь, в области взаимодействия появляется латентный трек (латентный, потому что его не видно). После эта пленка химически протравливается. И в месте этого трека скорость травления выше, чем в других местах. И на полимере получаются сквозные поры.

Получившиеся мембраны можно использовать по-разному. Но благодаря сотрудничеству с кафедрой офтальмологии Сибирского государственного медицинского университета коллектив Пичугина изучает приложение таких мембран для лечения буллезной керратопатии (патологии роговицы).

Для нее характерны отек оболочки роговицы и появление специфических пузырьков — «булл». Они возникают потому, что клеточные мембраны в роговице перестают выполнять свою функцию обмена жидкостями. У больных снижается острота зрения, возникает ощущение инородного тела в глазу и боязнь света. Болезнь может привести не только к слепоте, но и к потере глаза. А вот искусственная мембрана могла бы стать временной заменой плохо работающей родной и помочь сохранить глаз.

Замена эта временная, потому что мембрана может быть сделана из полимера, который со временем разлагается, например из полимолочной кислоты. Мембрана просто растворится, когда пораженный участок восстановится. — У нас есть еще одно направление работы — это создание материалов для микроэлектроники. Но биомедицина нас не отпускает. Все-таки это очень интересная и важная область науки. И чтобы действительно сделать что-то важное, биологам и медикам не обойтись без физиков, а физикам не обойтись без биологов и медиков. Сейчас только работа в тандеме может привести к значимым результатам, — уверено говорит руководитель коллектива.

Подготовила Александра Лисовая