/Ученые создали искусственные кости, умеющие залечивать трещины

Ученые создали искусственные кости, умеющие залечивать трещины

Ученые создали искусственные кости,  умеющие залечивать трещины

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.

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 них образуются трещины, возникновение которых очень сложно контролировать. Предотвратить их образование невозможно, однако можно создать имплантат из материала с возможностью самозалечивания.

Ученые создали искусственные кости,  умеющие залечивать трещины

Такой материал и разрабатывает группа учёных из НИТУ “МИСиС”под руководством д.ф.-м.н. профессора Сергея Калошкина. 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 имплантат, — это некая пружина в желе. Допустим, этот кусок пластика под воздействием деформируется, — то есть, пружина растягивается. Застывшее желе не дает ей сомкнуться обратно. Однако если подогреть желе, оно станет мягким и пружина сможет вернуться к своей изначальной форме.

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.

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 какие-то некрупные 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 биологическая основа нашей костной ткани.

Ученые создали искусственные кости,  умеющие залечивать трещины

Для нагрева 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, как следствие, начинают разогревать окружающий материал. Сейчас ученые экспериментируют с составами материалов, пытаясь повысить прочность, снизив при этом температуру нагрева.

Совместный материал НИТУ «МИСиС» и проекта "Наука от Фансаенс"

05.04.2018 Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен | Ученые создали искусственные кости,  умеющие залечивать трещины