Полиэтилен заменяет суставы
— На ваш взгляд, в человеке можно многое заменить на детали из сверхмолекулярного полиэтилена без потери функциональности?
— Пока что не очень многое. В основном это какие-то твердые ткани. Например, кости или хрящи суставов. Но принципиально нельзя заменить различные мягкие ткани и органы. Мы используем наш подход для того, чтобы полностью регенерировать кость с использованием полиэтилена, который имитирует костную ткань. Еще вводим стволовые клетки — предшественники будущих костей, чтобы быстрее все это срасталось.
Почему полиэтилен хорош для костей и для хрящей? Благодаря ему можно добиться похожих механических характеристик, таких же, как у настоящего органа. А когда мы говорим про мягкие ткани, то у них уже совершенно другие характеристики. И они выполняют совершенно другие функции. Кость — это каркасная функция, опора либо поддержка других органов. Мягкие ткани — это абсолютно другое.
Тонкости производства
— Что такое сверхмолекулярный полиэтилен? И как им можно заменять кости и суставы?
— Сверхвысокомолекулярный полиэтилен по своей химической сути похож на обычный полиэтилен, но с очень-очень длинными молекулами. И фишка в том, что эти молекулы могут хорошо друг с другом спутываться-запутываться. Получаются клубки, и они обеспечивают хорошую механическую характеристику сверхвысокомолекулярному полиэтилену. Играясь с укладкой этих молекул, можно добиваться очень большой прочности. В частности, при определенной укладке получается материал с прочностью в четыре раза больше стали, а это в принципе один из самых прочных материалов в мире.
— Расскажите о технологии производства костей и суставов. Вы печатаете их на 3D-принтере? Или есть какая-то особенная технология?
— Если говорить про полиэтилен, то да. Он принципиально не печатается, потому что эти длинные молекулы получаются настолько длинными и настолько хорошо друг с другом запутанными, что, если этот полиэтилен расплавить, он становится больше похожим на пластилин. Его вязкость очень высокая, он не печатается всеми стандартными методами, которыми сейчас пользуются коммерчески доступные 3D-принтеры. Поэтому мы используем совмещение аддитивных и субтрактивных технологий.
Аддитивные технологии — послойное наращивание и синтез объекта с помощью технологий 3D-печати. Используемые материалы — жидкие фотополимеры, воск, гипсовый порошок, полистирол, металлические порошки, полиамиды. Применяются в строительстве, машиностроении, медицине.
Субтрактивные технологии — процесс удаления части материала из готового изделия.
Мы используем комбинацию этих двух технологий. Сначала можем создать каркас будущей кости. Дальше слой за слоем наносим полиэтилен, прессуя его при высокой температуре. А потом, имея томограмму кости пациента, отсекаем все лишнее от полиэтилена, чтобы получился имплантат по форме необходимой кости.
— Насколько известно, есть различные варианты исполнения внешней части костей, например, из титана или более твердого пластика. Почему нельзя все сделать из полиэтилена, ведь из него даже бронежилеты делают?
— Это зависит от того, какую функцию должна выполнять кость, — то у вас и должно быть внутри. Например, у полиэтилена, который мы используем для искусственных мышц, очень большая прочность на разрыв. Но при этом он достаточно гибкий, вы можете взять эту полиэтиленовую ниточку и связать узлом. А если вы делаете кость из этих ниточек, жесткость будет низкая. Ее надо набирать чем-то другим, уже не полиэтиленом.
Мы берем различные металлы, сплавы и создаем из них каркас на 3D-принтере, на который потом наплавляем полиэтилен. Какой-то жесткий компонент нам все равно нужен, если мы говорим про кости, которые нагружены. Например, лучевая кость руки. А если речь про челюстно-лицевую хирургию, там может применяться полиэтилен без всякого армирования. Человеку, которому захотелось сделать косметическую операцию, полимерные материалы обычно вводят под кожу. Если полиэтилен жесткий, то человек ощущает, что кожа у него находится на чем-то жестком. Это плохо. Соответственно, мы можем использовать достаточно мягкий. Он будет годиться для эстетической хирургии, но не подходит для костей.
— Что включают в себя умные материалы и что такое 4D-печать, биомиметика?
— Умные материалы — такой класс материалов, который может контролируемо изменять одну или несколько своих характеристик в зависимости от какого-то внешнего воздействия. Например, посветили на материал фонариком, а он изменил свою форму. Биомиметика — важный тренд в материаловедении. Это когда мы пытаемся повторить структуру и отчасти какие-то свойства биологического объекта на синтетических материалах. Например, проблема всех существующих сейчас протезов в том, что они не похожи на кость. Ни по химическому составу, ни по своей структуре, архитектуре. Мы стараемся полиэтилен сделать таким, чтобы он был полностью похож на кость. Принцип биомиметики — повторять что-то живое на неживом. Не люблю название 4D-печать. Это обычная 3D-печать, но умным материалом с памятью формы.
Научная деятельность ориентирована на практические запросы
— Сотрудничаете ли вы с медицинскими учреждениями в изготовлении костей, суставов из полиэтилена? Или это только частные разработки, не в промышленном масштабе?
— Мы сотрудничаем с Центром онкологии имени Блохина, с Институтом эпидемиологии и микробиологии имени Гамалеи и Центром травматологии и ортопедии (ЦИТО).
Национальный исследовательский центр онкологии имени Блохина — правопреемник Института экспериментальной патологии и терапии рака Академии медицинских наук СССР, крупнейший в России и один из самых крупных в мире. В его структуру входят пять НИИ. Основные виды деятельности — оказание медицинской помощи онкобольным, научные исследования, разработка новых методов диагностики и терапии.
Институт имени Гамалеи основан в 1891 году как частный химико-микроскопический и бактериологический кабинет Блюменталя, позже ставший институтом. В 2017 году получил статус Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи. Занимается фундаментальными исследованиями в области эпидемиологии, микробиологии, иммунологии.
Центр травматологии и ортопедии (ЦИТО) — национальный исследовательский центр имени Приорова. Сейчас это крупнейшая база в сфере травматологии, ортопедии и костной патологии.
Мы получаем от них заказ, какие свойства должны быть у имплантата. Например, биологам важно, чтобы клетки организма определенным образом реагировали на материал, могли дифференцироваться в нужную ткань, чтобы кость правильно росла. Медикам важно, чтобы имплантат можно было установить в кость, прикрутить винтами. Мы работаем со всеми, чтобы получать представление, куда дальше двигаться. Например, если хирургу не очень удобно работать с имплантатом, он его просто не будет использовать. Поэтому важно дать его хирургу в руки, чтобы он сказал, нравится ли ему с ним работать, может ли он его обработать стандартным инструментом. Если по результатам компьютерной томографии был сделан имплантат, который хоть чуть-чуть не встает в кость, хирург может отрезать лишний кусочек.
А если это какой-то титановый имплантат, он очень плохо пилится. Вот такие нюансы мы собираем и дальше изменяем наш имплантат. Мы работаем в междисциплинарной области, где надо понимать не только материаловедение, но и биологию, и частично медицину. Поэтому у нас такая большая команда. Наша компания Biomimetix — экспериментальное производство.
У нас индивидуализированные имплантаты, но для ветеринарных клиник. Сейчас проводим операции только на животных. Недавно были случаи острой саркомы у двух кошек, кость удаляли из лапы. И мы срочно изготавливали имплантаты. Причем один из них делали клеточно-инженерным, впервые такой клеточно-инженерный кот теперь ходит в России. Мы брали пробу костного мозга у кота, оттуда выделяли мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки и ими заселяли имплантат.
Имплантат колонизировался в пробирке клетками этого кота некоторое время, а в день операции ему установили уже клеточно-инженерную конструкцию, которая внутри имела клетки самого пациента.
— Вы открыли первую в стране магистратуру по специальности «Биоматериаловедение». Сколько на нее бюджетных мест, какова была цель такой работы и какие уже есть успехи?
— На эту программу 15 бюджетных мест. Программа по своей сути является IPhD — интегрированная Phd-программа. К нам поступают магистры, и они уже заранее знают, что хотели бы продолжить научный путь в аспирантуру, а потом, может быть, и постдоками.
У нас много зарубежных партнеров. Студенты могут уезжать на две недели стажироваться, например, в Университет Дортмунда, и если друг другу все понравились, то почему бы после окончания программы не продолжить работу там. Такие запросы у коллег уже были. Наука всеобщая, она не может быть замкнута внутри одного государства.
Мы считаем, что все нынешние инновации рождаются именно в междисциплинарном поле, нельзя развиваться обособленно от других отраслей. Поэтому у нас стык биологии, медицины и материаловедения: в единой программе биоматериаловедения есть научный треки — биоимплантатов, адресной доставки лекарств, умных и биомиметических материалов, тераностики и биоаналитики. Эти направления между собой особо не связаны, но их объединяют общие корни из материаловедения, биологии, медицины.
Когда студент поступает на эту программу, он выбирает, каким научным направлением хотел бы заниматься. И по совету научного руководителя выбирает, что бы хотел послушать. У нас много направлений, и в каждом своя специфика. Где-то обязательно надо послушать про химический синтез наночастиц, а кому-то надо послушать экспериментальную онкологию.
Еще важная фишка: человек не весь семестр учится, например, физической химии, обучение этой дисциплине занимает один месяц. Бывает так, что человек полгода учится, он уже забыл, что там было в начале, потом ему это надо применять на практике, а он уже это не помнит. Некоторые научные руководители жаловались: хочется, чтобы студент в научной работе использовал какие-то знания, а он их получит только через несколько месяцев. Поэтому мы постарались всю программу адаптировать под научную работу. Плюс сместили акценты: у нас фактически все время отдано под практические занятия, лабораторные и научно-исследовательскую работу. Студент просто может прийти на занятия и прямо там научиться правильно тестировать материал на конкретных примерах.
Работа за рубежом: в чем отличие
— Кстати, почему вы занимаетесь развитием своих технологий именно в России, а не где-нибудь в Европе или Америке? Что вас так держит?
— Нам вполне комфортно работать здесь. Биомед-отрасль слабо развита в России. Но это новый стимул. Мы сейчас работаем на уровне ветеринарной отрасли: для собак и кошек. Если делать все это для людей за другие деньги, будет уже сложней. И на этом этапе некоторые компании стараются уйти в Европу, потому что там это будет быстрее и прибыльнее. Но мы больше занимаемся научными исследованиями и разработками, а не выпуском серийной готовой продукции. Больше генерим идеи и делаем экспериментальные имплантаты, чем просто их штампуем.
— Есть ли аналоги, конкуренты вашего производства из полиэтилена в России и за рубежом?
— Мы производим целый спектр полиэтиленовых имплантатов как для черепа, так и для конечностей. Они по своим характеристикам все разные. Но есть близкие аналоги, глобальные компании типа Stryker или Johnson&Johnson, которые занимают огромную долю рынка. Просто по определенным характеристикам то, что делаем мы, круто.
— Так в чем же эти отличительные характеристики?
— Например, в возможности руками хирурга манипулировать имплантатом. Он хорошо режется, не крошится и может быть очень мягким, чтобы пациент не чувствовал ничего твердого под кожей. Хирург может согнуть материал пополам, сложить, смять, и он не раскрошится во время операции, не сломается, его можно в нужное положение установить.
Мы работаем над этим полиэтиленом более десяти лет. Наша сила — материаловедческая логика. Мы понимаем, как играть с материалом на молекулярном уровне, на микроуровне, чтобы в нем создавать какие-то свойства. И только потом мы на это навешиваем биологию и медицину. С материаловедческой точки зрения у нас все хорошо, потому что НИТУ «МИСиС» — вуз номер один по материаловедению.