Томские ученые разработали 3D-имплантат, который, в отличие от существующих аналогов, не требует проводов и батареек. Под действием внешнего магнитного поля он сам генерирует электрические импульсы, ускоряя сращивание костей и рост нервов.
Биоэлектричество вместо проводов
Восстановление крупных дефектов костной ткани — сложнейшая задача для травматологии. Для полноценного сращивания в зоне повреждения должна появиться не только новая кость, но и разветвленная сеть кровеносных сосудов и нервы.
Электрическая стимуляция – один из перспективных подходов к эффективной регенерации. Она имитирует биоэлектрические свойства самой кости: в естественных условиях они достигаются за счет механической нагрузки, при которой возникают слабые электрические сигналы, помогающие клеткам «понимать», где и как нужно восстанавливать ткань. Но традиционные подходы к электростимуляции требуют внешних источников питания (проводов и электродов). Это делает метод инвазивным и повышает риск осложнений.
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международного коллектива создали имплантат, который дистанционно за счет слабого магнитного поля может генерировать электрические сигналы прямо в зоне дефекта кости, без единого провода.
Секрет наночастиц типа «ядро-оболочка»
В основе разработки – пористый 3Д-каркас (скэффолд), напечатанный на 3Д-принтере из биосовместимого гидрогеля. В состав геля входят желатин-метакрилат и особые магнитоэлектрические наночастицы.
Каждая такая частица устроена как высокотехнологичный сэндвич. В центре находится магнитострикционное ядро из феррита марганца, а снаружи оно покрыто пьезоэлектрической «рубашкой» из модифицированного титаната бария. При попадании в слабое переменное магнитное поле сердечко деформируется, а оболочка мгновенно преобразует эту механическую вибрацию в электрический сигнал.
— Наши имплантаты одновременно выступают в роли временной опоры для клеток и активной биоэлектрической платформы, которая активирует нервные клетки, усиливает межклеточное взаимодействие, поддерживает образование сосудов и направляет стволовые клетки для формирования костной ткани, — пояснил руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.
Экспериментально доказано
Лабораторные испытания in vitro подтвердили, что магнитная стимуляция значительно повышает внутриклеточную концентрацию ионов кальция (в 1,83 раза) и уровень сигнальных молекул TGF-β (в 1,54 раза), запуская ключевые сигнальные пути PI3K-AKT и BMP, отвечающие за рост костей. Также было зафиксировано увеличение экспрессии нейротрофических факторов (GDNF, BDNF, NGF), стимулирующих образование нервов.
Самые убедительные результаты дали тесты in vivo на лабораторных мышах с дефектами бедренной кости. Уже через две недели после установки имплантата у животных наблюдались признаки раннего роста нервных клеток, а через восемь недель — выраженное восстановление костной ткани с полноценным прорастанием нервов и сосудов. Магнитоэлектрическая стимуляция позволила ускорить формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а образование новой костной ткани — в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами, где стимуляция не применялась.
— Главным преимуществом является совмещение технологий 3D-печати и беспроводной электрической стимуляции в одной платформе. В перспективе подобные 3D-платформы можно использовать для восстановления не только костей, но и других сложных тканей, где важно управлять сразу несколькими процессами — ростом клеток, сосудов, нервов и межклеточным обменом, — отметил директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.
В тему
До применения в широкой клинической практике еще далеко. Но разработка томских политехников открывает новую эру в травматологии и ортопедии, где лечение будет происходить не инвазивным вмешательством, а управляемым сигналом извне.
Подписывайтесь на АиФ в  MAX
|
