Части тела

Научный коллектив, куда входят сотрудники разных кафедр и молодые ученые, студенты, работает над разными задачами: это и создание новых материалов, которые помогут тканям быстрее восстанавливаться, и разработка новых покрытий для подавления развития опухолей.

—Пока мы не делаем имплантаты. Хотя, конечно, могли бы, но для этого в России и за рубежом есть специальные компании. Мы модифицируем свойства материалов, которые используются для производства имплантатов, — поясняет Сергей Твердохлебов.

Изначально перед учеными стояла задача сделать такие покрытия, которые увеличили бы приживаемость имплантатов внутри организма.

— Мы начали с того, что предложили наносить очень тонкие покрытия с использованием плазмы магнетронного разряда различных типов, — рассказывает ученый. — Смысл такой, что у нас есть прочный материал имплантата, свойства которого требуется изменить, и материал, обладающий требуемыми биологическими свойствами, который нужно нанести тонким слоем на имплантат.

Всегда есть риск, что иммунитет начнет бунтовать из-за имплантата, потому что это совершенно инородное тело, и может его отторгнуть. Задача ученых снизить этот риск.

— Мы решили обманывать организм с помощью кальций-фосфатного покрытия. Кальций и фосфор есть в нашем организме, они составляют основу костной ткани, если имплантат покрыт тонким слоем из этих элементов, то организм начинает воспринимать его за «своего». С этой целью мы переводим различные кальций-фосфатные материалы в плазменное состояние и ионы материала заставляем «переходить» на поверхность имплантата. Получается очень тонкая пленка, которая улучшает его свойства. Так мы в разы увеличиваем приживаемость имплантата, — говорит ученый.

Потом было предложено делать многослойные гибридные материалы, например, предварительно наносить тонкую пленку оксида на имплантат, чтобы он, грубо говоря, не ржавел, а потом формировать биоактивное покрытие. Ученые разработали технологию нанесения покрытий и создали специальную установку. По словам Сергея Твердохлебова, это было по-настоящему новое слово в изменении свойств материалов.

— Во всем мире покрытия наносятся в основном двумя способами: электрохимическим, то есть с помощью химии, и с использованием плазменной струи. Наш способ — вакуумный ионно-плазменный. Да, мы тоже используем плазму, но наш способ более совершенный, гибкий, он позволяет напылять разнообразные покрытия высокого качества на большинство материалов, используемых в медицине, — это металлы, керамика, полимеры, в том числе биодеградируемые матриксы, применяемые в регенеративной медицине, — поясняет Твердохлебов. — И опытно-промышленная установка, которую мы создали в университете для нанесения пленок, в России точно не имеет аналогов.

Сейчас изделия с покрытиями политехников находятся в разных медицинских центрах страны. Правда, пока это лишь опытные партии. Но ученые надеются, что в будущем их технологии полноценно выйдут на рынок.

— Последние годы мы начали активно заниматься еще одним типом материалов — полимерными. По этой тематике выполнили несколько проектов по Федеральной целевой программе, грантов Российского фонда фундаментальных исследований. Например, проект по разработке изделий для челюстно-лицевой хирургии. Это гибридные изделия, в их основе — модифицированная плазменными методами металлическая сетка, которая со временем врастает в кость, — отмечает Сергей Твердохлебов. —Покрыта сетка композитным материалом на основе биодеградируемых полимеров и кальций-фосфатных наполнителей. Этот материал делает имплантат неотторгаемым, а после выполнения своей функции он растворяется в организме без остатка.

Эти изделия для челюстно-лицевой хирургии, сделанные в Томском политехе, успешно проходят испытания в Томском НИИ онкологии.

— Наша задача была предложить разные варианты материалов, испытания помогли выбрать подходящий. Недавно сделали первые опытные образцы такого изделия в виде пластин размером 40 на 40 мм. На практике они могут, например, закрывать отверстия в черепе, — добавляет ученый.

Из полимеров ученые также научились делать трехмерные гибридные матриксы — нанопластыри, которые становятся «домиками» для выращивания клеток, нужных для восстановления тканей, — с модифицированной поверхностью для кровеносных сосудов. Небольшая трубочка из биодеградируемого полимера может заменить недостающую часть сосуда, со временем имплантат зарастет живой тканью и растворится. Спицы с полимерным гибридным покрытием помогают детям с несовершенным остеогенезом — это генетическое нарушение, которое делает кости очень хрупкими. Людей с таким заболеванием называют «хрустальными». Внутрь кости ребенка вставляются спицы, и они помогают кости выдерживать вес тела. Такие имплантаты изготавливаются по заказу Илизаровского центра, с которым заключено соглашение о стратегическом партнерстве. Для этого же центра изготавливаются и гибридные матриксы, предназначенные для регенерации костной ткани.

Вместе со своими коллегами из Австралии, из Университета Гриффита, томские ученые развивают еще одно интересное направление работы с полимерными материалами. Они моделируют биоразлагаемые матриксы, которые содержат лекарства. И по мере распада они «выпускают» лекарственные вещества в нужном месте. Сергей Твердохлебов отмечает, что разработки, которые сегодня ведутся в Томском политехническом, ориентированы, прежде всего, на реальные потребности современной медицины.

Александра Лисовая

«Имплантология только звучит жутко: «заплатки» на череп, спицы в костях. Но в реальности разработки, которые делаем мы в Томске, наши коллеги в России и в других странах, помогают людям полноценно жить, избавляют от боли. Они помогают снова двигаться, видеть и чувствовать себя живым».

Сергей Твердохлебов, кандидат физико- математических наук, доцент кафедры экспериментальной физики

Какие покрытия и материалы для имплантатов делают политехники

Первым делом на изделии в вакууме формируется тонкий оксидный слой, чтобы имплантат не ржавел, затем с помощью магнетронного напыления наносится кальций-фосфатный слой. Так изделие маскируется под костную ткань, чтобы имплантат не отторгался. Политехники первыми в России предложили использовать вакуумный ионно-плазменный способ для формирования гибридных покрытий. Они разработали и технологию, и оборудование.
Где применяется: для широкого спектра изделий из металла. Например, детали для остеосинтеза — соединение костей после перелома и фиксация их в неподвижном состоянии, чтобы они быстрее срастались. Метод применяется и для имплантатов из керамики, полимеров.
Результаты: опытные партии изделий с покрытиями политехников поставлены в Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г.А. Илизарова (город Курган), НПО «Медтехника», торговый дом «Остеохелс», Самарский медицинский университет и другие организации; технология и оборудование для нанесения оксидных покрытий поставлены в ООО «НИТЕК».
Перспективы: Томский политех и рижская компания LLC «Koatum» заключили лицензионное соглашение на продвижение технологии в Европе и США.

Применяется для имплантатов из нержавеющей стали и керамики. Политехники усовершенствовали электрохимический метод: наносят на нержавеющую сталь или керамику тонкий слой титана, а уже на него методом микродугового оксидирования — биоактивное покрытие, чтобы сделать имплантаты неотторгаемыми.
Где применяется: для стальных спиц и эндопротезов — протезов, вживляемых внутрь человеческого организма для замены какой-либо части тела. Чаще всего для протезов тазобедренного, коленного суставов.
Результаты: опытные партии стальных спиц с покрытиями поставлены в Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г.А. Илизарова (город Курган), образцы материалов с биоактивными покрытиями тестируются в Тюменском государственном медицинском университете.
Перспективы: ведутся переговоры с томской компанией ООО «Синтел», которая готовится открыть в регионе производство эндопротезов.

Состоят из тонких слоев полимеров с различными наполнителями. Политехники разрабатывают как биостабильные покрытия, так и разлагаемые.
Где применяется: остеосинтез, челюстно-лицевая хирургия, кардиохирургия.
Результаты: разработаны прототипы изделий для лечения несовершенного остеогенеза (болезнь «хрустального человека»); созданы по проекту ФЦП опытные образцы имплантатов для челюстно-лицевой хирургии, по заказу ООО «Нанокор» разработан метод нанесения биодеградируемого полимерного композитного материала на сосудистый стент.
Перспективы: массовое производство имплантатов. При успешном завершении исследований производство таких изделий готова запустить московская компания ООО «Конмет» — российский лидер по производству имплантатов для челюстно-лицевой хирургии.

Представляют собой 3D-нетканый материал, сформованный методом электроспиннинга либо разработанным в ТПУ методом аэродинамического формования. Для изготовления матриксов используются как биостабильные, так и биодеградируемые полимеры, которые могут содержать различные наполнители. Политехники впервые предложили использовать для модифицирования поверхности термопластичных полимерных матриксов метод магнетронного напыления в различных режимах.
Где применяется: регенеративная медицина, клеточные технологии, кардиохирургия.
Результаты: по заказу НИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (город Кемерово) создан опытный образец биодеградируемого матрикса с модифицированной поверхностью для сосудов; исследования матриксов проводятся на культурах клеток в Северо-Западном федеральном медицинском исследовательском центре имени В.А. Алмазова (город Санкт-Петербург), на лабораторных животных — в Томском НИИ курортологии и физиотерапии; для Российского научного центра «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г.А. Илизарова (город Курган) разрабатывается биодеградируемый эластичный композитный матрикс для остеосинтеза; разработаны пористые волокнистые материалы на основе политетрофторэтилена для фильтрации агрессивных сред и работы в экстремальных условиях.
Перспективы: массовое производство гибридных матриксов для медицины и работы в экстремальных условиях.