В России создан уникальный материал для хирургии и имплантологии

12:35, 23 ноября 2021

Он сочетает в себе биосовместимость, биоразлагаемость и пьезоэлектрические свойства

Андрей Холкин — руководитель мегагранта и международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы». Фото из архива Андрея Холкина.

Ученые Уральского федерального университета совместно с зарубежными коллегами и исследователями Томского политехнического университета создали новый материал, способный найти широкое применение в хирургии, сообщает РИА Новости. По словам авторов, конструкции из этого материала могут быть использованы в инженерии костной ткани (имплантологии), для восстановления хрящей, создания раневых повязок и шовных нитей. Исследование опубликовано в журнале Nano Energy.

Известно, что электростимуляция позволяет ускорить восстановление костных дефектов, например, переломов или трещин. Поэтому внимание ученых сегодня привлекают пьезоэлектрические материалы, способные преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот.

Кроме того, при лечении некоторых заболеваний требуются биоразлагаемые имплантаты, которые с течением времени растворяются в организме и не требуют повторного хирургического вмешательства для своего удаления, что снижает риски воспаления. Эти имплантаты также должны обладать упорядоченной трехмерной структурой и определенными механическими свойствами для восстановления поврежденного участка костей.

Таким образом, современная регенеративная медицина, в частности, костная имплантология, нуждается в разработке новых умных пьезоэлектрических материалов, которые способны одновременно биоразлагаться и оказывать электрическую/механическую стимуляцию клеток и тканей организма. Решение этой сложной задачи требует междисциплинарного подхода.

Ученые УрФУ вместе с коллегами из Томского политеха и учеными из Бельгии, Германии и Португалии разработали биоразлагающиеся трехмерные конструкции, скаффолды, на основе волокон полимера поли-3-оксибитурата с увеличенным пьезоэлектрическим откликом (до 2,5 раз) и зарядом поверхности (до 9,5 раз).

Исследователи впервые детально изучили структурные и молекулярные изменения в полимерном композите, вызванные добавлением наноразмерного агента на основе оксида графена. Кроме того, они впервые в мире продемонстрировали пьезоотклик самого поли-3-оксибутирата на наноуровне.

При решении задачи использовался давно известный науке биосовместимый и биоразлагающийся синтетический полимер — поли-3-оксибутират (ПОБ). Этот полимер обладает пьезоэлектрическими свойствами, которые по своим значениям близки к свойствам костного коллагена, хотя и уступают характеристикам не биоразлагающихся аналогов.

Для улучшения пьезосвойств ПОБ ученые решили использовать биосовместимый наноразмерный восстановленный оксид графена (ВОГ). Химические особенности и высокая удельная площадь поверхности этого вещества позволяют применять его для доставки лекарств. Используя ПОБ и ВОГ, авторы исследования разработали новые биоразлагающиеся трехмерные полимерные скаффолды с усиленным пьезоэлектрическим откликом и потенциалом (зарядом) на поверхности.

Подобных материалов, которые сочетали бы в себе биосовместимость, биоразлагаемость, пьезоэлектрические свойства и возможность получения трехмерной структуры с заданными механическими свойствами, очень мало. Поэтому новая разработка может найти широкое применение в медицине, отметил заведующий лабораторией наноразмерных сегнетоэлектрических материалов УрФУ Андрей Холкин. Работа частична поддержана мегагрантом (проект № 075—15-2021—588) в рамках сотрудничества УрФУ и ТПУ.

«Для получения наших скаффолдов мы применяли метод электроформования, который отличается простотой и уникальной возможностью контролировать размеры полимерных волокон на наноуровне. Для проведения детального изучения структуры и свойств разработанных скаффолдов мы использовали целый комплекс высокоточных аналитических методов: от растровой микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии до пьезоэлектрической силовой микроскопии, в которой наша лаборатория является мировым лидером», — рассказал Андрей Холкин.

Сегодня разработанные скаффолды проходят биологические исследования, которые после успешного завершения потребуют проведения полного спектра доклинических испытаний. Авторы надеются на их широкое применение в медицинской практике в ближайшем будущем.