Первые попытки искусственной замены костей человека были еще до нашей эры — на территории современного Гондураса найден фрагмент нижней челюсти с имплантатами из панциря черепахи. Ежегодно в России проводят более 70 тыс. операций, восстанавливающих целостность костной ткани. Сложность их в том, что человеческий организм запрограммирован отторгать инородные тела, из-за чего треть имплантатов, используемых в травматологии, не приживается — пациент испытывает сильные боли, часто требуется повторная операция. Поэтому перед учеными стоит задача сделать материалы биосовместимыми. Сотрудники НИТУ «МИСиС» нашли парадоксальное, на первый взгляд, решение — заменять кости и суставы заготовками из полиэтилена, используя 3D-печать. Пока технология испытана только на животных, но результаты оказались положительными. Автор разработки Фёдор Сенатов на фестивале Science Bar Hopping рассказал «Хайтеку», как из мягкого полиэтилена получаются твердые кости, как готовят кадры и почему он не собирается уезжать в Америку.
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.