МОСКВА, 29 мар – РИА Новости. Ученые Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» разработали материал для костных имплантатов, с возможностью самозалечивания трещин. В основу был положен полимер с памятью формы, который восстанавливает свою структуру при локальном нагреве. Результаты исследований были представлены на видеоконференции " Научные и технологические решения для медицины будущего" (Москва-Дели), прошедшей в ММПЦ МИА «Россия сегодня».

Речь идет о возможности замены маленьких или крупных частей кости при травмах, а также операциях по удалению фрагмента костной ткани при развитии злокачественной опухоли. Человеческий организм не обладает ресурсами для самостоятельного замещения большого количества костной ткани, поэтому возникает необходимость в имплантатах.

Если имплантат внутри организма находится под циклической нагрузкой (это обычно возникает при замещении фрагментов костей в конечностях, особенно ногах), в нем образуются трещины, возникновение которых очень сложно контролировать. Предотвратить их образование невозможно, однако, можно создать имплантат из материала с возможностью самозалечивания.

«Мы развиваем подход использования материалов с памятью формы», — поясняет кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов. «Изначально имплантат имеет определенную форму, потом трещина ее меняет, но при нагревании структура восстанавливается. Эффект памяти формы требует сосуществования в полимере жесткой фазы (химические или физические сшивки, переплетения молекул или межмолекулярные взаимодействия) и мягкой фазы, которая определяет энтропийную упругость макромолекул и могла бы быть деформирована во временную форму. Можно представить себе, что кусок полимера, из которого состоит наш имплантат, это некая пружина в желе. Допустим, вы деформируете этот кусок пластика, то есть растягиваете пружину. Застывшее желе не дает ей сомкнуться обратно. Однако если подогреть желе, оно станет мягким и пружина сможет вернуться к своей изначальной форме», — добавил он.

© Предоставлено пресс-службой НИТУ «МИСиС». Демонстрация закрытия (сужения) трещины в костном имплантате

Движущей силой для восстановления формы является изменение подвижности молекул полимера и переход от более упорядоченной временной конфигурации после деформации к термодинамически выгодной конфигурации с более высокой энтропией и меньшей внутренней энергией.

На данный момент в разных лабораториях мира ведутся опыты на животных по изучению возможностей локального нагрева такого имплантата без затрагивания окружающих тканей. Чтобы его нагреть, нужно провести малоинвазивную операцию, то есть сделать прокол и подвести волновод прямо к замещенному фрагменту кости. Главная проблема заключается в том, что пока форма имплантата восстанавливается при температуре выше 50-ти градусов, что может нанести большой урон живым клеткам. Кроме того, температура активации эффекта памяти формы высока для полимеров, подходящих для использования в костных имплантатах.

Если стремиться сделать имплантат подобием кости, выдерживающей большие циклические нагрузки, то температура нагрева еще поднимется. Это будет 60–70 градусов, что, несомненно, будет губительным для окружающих тканей.

«К сожалению, человечество на данный момент не имеет ни одного материала, который был бы с одной стороны твердым и прочным, а с другой стороны, легко преобразующим свою структуру при приемлемых температурах. Думаю, тут нужно будет экспериментировать с технологией аккуратного нагрева или находить оптимум путем создания композиционных материалов и изменения их внутренней структуры. Нам удавалось "нащупать» такие составы, но пока их самозалечивание происходит при 50° C ", —  пояснил Федор Сенатов.

На данный момент ученые Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» используют в качестве основы для имплантатов разные полимеры, в основном биорезорбируемые, то есть саморассасывающиеся. Ими можно замещать мелкие фрагменты костей, что востребовано в челюстно-лицевой хирургии. Для крупных фрагментов используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Твердость полимера повышается за счет ввода дополнительных частиц, например, гидроксиапатита — это минеральная основа костей и зубов. Для достижения нужной температуры используется прямой нагрев, электрический ток, ультразвук и переменное магнитное поле. Чтобы добиться эффекта нагрева при помощи магнитного поля, в полимер специально вводятся магнитные наночастицы. После наложения переменного магнитного поля частицы внутри имплантата начинают разогреваться и передавать тепло окружающему материалу. Сейчас ученые экспериментируют с составами материалов, пытаясь повысить прочность, снизив при этом температуру нагрева.