Союз математика и инженера

Как математическое моделирование помогает при разработке уникальных биомедицинских изделий и материалов

Профессор одного из ведущих университетов Австралии — Университета Гриффита — Юрий Анисcимов уже около пяти лет успешно сотрудничает с научным коллективом лаборатории плазменных гибридных систем, которой руководит доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Сергей Твердохлебов. О том, как синтез математических и инженерных методов помогает продвигать вперед передовые направления, Юрий Анисcимов и Сергей Твердохлебов рассказали корреспонденту газеты «За кадры».

Имплантаты, скаффолды и моделирование

Основное направление исследований Юрия Анисcимова — разработка эффективных и безопасных технологий по адресной доставке лекарственных препаратов для различных областей биомедицины методами математического моделирования. Причем биологическая математика помогает понять не только то, как лекарство распространяется в организме, но и как поддерживать его на необходимом для максимального эффекта уровне, как препарат преобразуется в разных органах.

— В своей работе я использую методы математического моделирования, решение уравнений в частных производных, диффузионные уравнения. Моя диссертация была посвящена работе печени, однако сейчас наибольший интерес вызывает доставка лекарств через кожу. Это направление перспективно еще и потому, что может быть интересно не только в сфере медицины, но и косметологии, допустим. С Сергеем Ивановичем (Твердохлебовым — ред.) мы знакомы уже около семи лет. Все это время научные коллективы Университета Гриффита и Томского политеха вместе работают над реализацией интересных исследовательских проектов. Сергей Иванович — очень сильный и знающий инженер, инженер-технолог, ученый-материаловед, — рассказывает Юрий Анисcимов.

Сергей Твердохлебов добавляет, что сейчас международный научный коллектив задействован в крупных проектах в рамках грантов РНФ и ФЦП. Один из проектов посвящен полимерным скаффолдам из биорезорбируемого материала (по мере растворения замещается тканью организма — ред.). Скаффолды — это своеобразные каркасы, которые служат основой для выращивания новых органов и тканей. В рамках исследования скаффолды с фармпрепаратами, прежде всего антибактериальными, подвергали физическому и химическому модифицированию.

— При помощи математических методов удалось выяснить, что при изготовлении не учитывается довольно широкое распределение диаметров волокон материала: считается, что все волокна имеют одинаковый диаметр, хотя это не так. И мы изучали, как, с точки зрения математики, это может повлиять на выход (высвобождение) лекарства в организме. Удалось установить, что путем изменения распределения можно влиять на процесс выхода лекарства, например, добиться того, чтобы оно выходило дольше. Также мы остановились на существующих подходах к выходу лекарств, изучали химические механизмы контроля ускорения или замедления выхода. Все полученные данные мы структурировали в виде статьи, которую ученые, работающие в данном направлении, могли бы использовать в будущем, — поясняет австралийский ученый.

Теоретическая часть экспериментов проходит в Университете Гриффита, практическая — в ТПУ. При этом стоит отметить, что в проектах участвуют и молодые ученые. Так, в ходе совместной работы сотрудник ТПУ Данила Петлин успешно защитил PhD-диссертацию в Университете Гриффита.

Также к работам подключены научные и технические партнеры из Англии, Китая, Германии, Латвии и других стран. Кроме того, в проекте задействованы исследователи Центра Илизарова и Томского НИМЦ.

— Мы отвечаем за инженерную составляющую в создании изделия, а Юрий Германович (Анисcимов) — за моделирование. Это две обязательных составляющих нормального НИОКР-процесса, так как невозможно ответить на все вопросы только экспериментальным путем. Моделирование позволяет понять, каким именно путем можно пойти, чтобы заведомо избежать ошибок, минимизировать количество экспериментов, провести необходимые оценки — это удешевляет и убыстряет процесс разработки медицинского изделия. Кроме того, моделирование позволяет просчитать различные варианты того, как конечное изделие или продукт себя поведут, внести все необходимые изменения на стадии экспериментов. Мы получаем уникальную обратную связь, особенно важную потому, что моделирование позволяет нам работать с живыми системами, изучать взаимодействие изделия с живыми организмами, — отмечает Сергей Твердохлебов.

Второй крупный проект ученых ТПУ и Университета Гриффита касается титановых имплантатов с многослойными покрытиями, в состав которых входят фармпрепараты, имеющие антибактериальный или другие эффекты. И в этой разработке также используются методы математического моделирования.

— Чем хороши математические методы? Если ты умеешь создавать модели для определенных видов материалов, то путем изменения уравнения можно создать рабочую модель и для других разновидностей, — подчеркивает Юрий Анисcимов.

Работа на перспективу

Однако научно-исследовательскими проектами, посвященными скаффолдам и имплантатам, сотрудничество томских и австралийских ученых не ограничивается. Среди перспективных направлений — микроиглы для трансдермальной доставки лекарств и офтальмология. Так, в Университете Гриффита сейчас обучается студентка из Ирана, чья диссертация посвящена созданию скаффолдов для поддержки роста ретиноидных клеток. Это поможет восстанавливать зрение.

По словам ученых, в офтальмологии сейчас очень распространен технический подход к решению проблем со зрением. Например, вживление бионического глаза (ретинального имплантата с камерой). Но международному научному коллективу более перспективным кажется биоподход. При этом особый интерес ученых Ирана вызывает уникальное оборудование, которое используют в Томском политехе, а также методы модифицирования материалов.

— Глаз — это очень сложная структура, любой элемент которой может выйти из строя. Есть идея выращивать клетки на скаффолде и перемещать их затем на глазное дно. Понятно, что это огромная работа, которую мы вряд ли выполним целиком. Но, с одной стороны, мы стараемся развивать различные направления, а с другой — нарабатываем базу для дальнейшего совершенствования процессов в других областях медицины. Если возникнет взаимодействие или кто-то придет с конкретной задачей, мы постараемся предложить им решение. Вместе у нас получится больше – есть надежда, что мы сможем что-то сделать быстрее, лучше, продвинуться дальше, — подытоживают ученые.

Подготовила Наталья Каракорскова