Уникальнейшая разработка наших ученых - матриксы

Мягкая титановая сетка имплантата для восстановления костей лица и черепа  /  Фото предоставлено Томским политехническим университетом. В Томском политехническом университете на основе матриксов — инкубаторов для выращивания клеток — создают уникальные материалы для регенерации организма.

«Клетка как ребенок: ей нужен дом»

— Я мечтаю создать современный центр клеточных технологий, — признается доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики Томского политеха Сергей Твердохлебов.

За последние пять лет он с коллегами открыл четыре новых лаборатории. Одна из них — лаборатория гибридных биосовместимых материалов Томского политехнического университета.

В специальной установке, разработанной здесь же, сейчас происходит чудо — рождаются матриксы. Это универсальная основа для создания бинтов, пластырей и имплантатов нового поколения. Они представляют собой пористые структуры, образованные переплетением ультратонких волокон.

Научный сотрудник лаборатории Евгений Больбасов поднимает пинцетом полупрозрачную тряпочку — это матрикс, пропитанный раствором из клеток, белков и липидов.

— Это материал для регенерации кожных покровов. Он нужен, если поврежден большой участок кожи — например, ожогами. Матрикс накладывается на это место и фиксируется повязкой, — рассказывает Больбасов. — Постепенно там вырастают клетки, нужные тканям для восстановления. Сам материал со временем деградирует и замещается кожей человека.

— Матриксы — это своеобразные инкубаторы. Клетка как ребенок: ей нужны дом, питание, и тогда мы получим то, что хотим, — говорит руководитель лаборатории Сергей Твердохлебов. — Мы используем различные материалы: металлы, полимеры, керамику. И делаем разные типы матриксов в зависимости от тканей — костных, мягких, — дефекты которых замещаем. А, например, для восстановления функций артерий или желчных протоков применяем трубчатые системы.





Фото предоставлено Томским политехническим университетом  /  Сергей Твердохлебов — руководитель лаборатории, в которой создают бинты, пластыри и имплантаты нового поколения

Обойтись без напряжения

1 мкм

Такова средняя толщина волокна матрикса. Это в 80 раз тоньше человеческого волоса.

Существует несколько технологий создания матриксов. Самая популярная из них — электроспиннинг. Нет, это не удочка для рыбалки. Это когда в внутри установки десятки киловольт электрического напряжения воздействуют на раствор какого-либо биополимера, например полимолочной кислоты или коллагена.

В результате ультратонкие волокна биополимера напыляются на подложку — допустим, на алюминиевую фольгу. Это напыление может быть использовано как основа будущей ткани, для формирования которой не хватает только клеток.

Однако в прошлом году в ТПУ успешно опробовали альтернативный метод изготовления матриксов — аэродинамическое формирование волокон. Эта технология, основанная на применении энергии сжатого газа, эффективнее электроспиннинга, поскольку не требует высоковольтного оборудования.

Борьба с микробами

Матриксам можно придавать различные свойства, в том числе антибактериальные. Это один из способов победить в войне с микробами, которые рано или поздно успешно адаптируются к новым лекарствам.

— Современная фармакологическая промышленность производит всё более сильные антибиотики, но патогены мутируют настолько быстро, что через несколько лет после выпуска препаратов полностью к ним привыкают. Это гонка вооружений между нами и, казалось бы, неразумными одноклеточными организмами, — говорит Твердохлебов.

Вместе с Федеральным медико-биологическим агентством томские ученые создали на основе матриксов материалы, которые обладают колоссальной антимикробной активностью.

— Это исходный материал, который мы делаем здесь, в ТПУ, — Евгений Больбас показывает мне прозрачный матрикс. — А здесь матриксы с наночастицами. Видите, они желтые, но могут быть и серыми в зависимости от того, против каких штаммов бактерий и вирусов их создали. По большому счету вы являетесь свидетелем рождения лейкопластыря нового поколения!

Чтобы матрикс начал бороться с микробами, можно насытить его антибиотиками. А можно нанести тонкое антисептическое покрытие. Например, способность серебра противостоять инфекции использовали чуть ли не в Древнем Египте. Из той же серии оксид цинка. Данные вещества обладают низкой токсичностью, при этом большинство микроорганизмов так и не приобрело устойчивости к ним. В сочетании с матриксом отличный антисептик.





Фото предоставлено Томским политехническим университетом  /  Образцы имплантатов на основе каркаса из металлической сетки и биодеградируемой полимерной композиции

«Да, мы иллюзионисты»

Теперь о костях. Если нанести на матрикс фосфатно-кальциевое покрытие, получится основа для самых разных имплантатов. По сравнению с зарубежными аналогами, например гидрогелями, отечественный матрикс лучше держит форму и постепенно рассасывается организмом, что решает проблему отторжения или замены имплантатов у детей.

— Клеточка, заселившись на структуру, которая имеет кальций и фосфат в своем составе, начинает дифференцироваться, то есть, грубо говоря, превращаться в костную ткань. Если клетку просто в чашку Петри посадить, она там будет беспризорная, а здесь, в матриксе, она в нужном домике, с нужным питанием, — поясняет Твердохлебов.

Сложную технологию ученые пытаются описать максимально просто:

— Чтобы стенку покрасить, я что должен сделать? Кисточку макнуть в ведро и начать мазать. Здесь всё так же происходит, только задача — распылить. А как распылить? Нужно чем-то по материалу стукнуть — он распыляется за счет бомбардирования его частицами в вакууме. Создаются высокочастотные поля, частицы бьют по материалу. Краска из ведра переходит на кисть, а материал в нашей установке — из мишени в плазму. А дальше, если в эту плазму поместить спицу, то атомы и молекулы будут осаждаться на нее. И образуется пленочка.

Уточняем:

— Получается, чтобы краска расплескалась, мы должны в это ведро что-то с силой кинуть?

— Примерно так.

В напылительной установке есть круглое окно, похожее на иллюминатор подводной лодки. На металлической поверхности конструкции написано «карусель».

— Это и правда как карусель, — объясняет Твердохлебов. — В установке происходит планетарно-осевое вращение спиц — такова оптимальная траектория для напыления.

— Используя это напыление на имплантатах, вы научились обманывать организм?

— Да, мы иллюзионисты. Научились модифицировать металлы и перешли к биорезорбируемым материалам.

— Что это значит?

— Все наши кости в течение жизни растворяются и обновляются. Если же случилась травма и в организм поместили металлический имплантат, такая большая железка будет растворяться очень долго, ведь это не родной элемент. С одной стороны, это хорошо: она будет скреплять кости и не сломается, но, с другой стороны, растворяясь, она может отравить окружающие ткани. Такая болезнь существует — металлоз. Когда вносится инородный материал, организм начинает с ним бороться. Вместо этого нужно имплантировать такой материал, который со временем биорезорбирует, то есть растворится. Кальций фосфат не вызывает электрохимической коррозии, плюс кальций с фосфором вымываются и идут на восстановление костной ткани. Поэтому мы успешно делаем такое напыление для спиц в аппарате Илизарова.





Фото предоставлено Томским политехническим университетом  /  Структура матрикса под микроскопом Работа с матриксами для культивирования клеток — мировой тренд. Разумеется, стволовые клетки в них тоже можно выращивать, а значит, в будущем, возможно, матриксы послужат базой для создания новых человеческих органов. Но до этого еще нужно дожить. А лечить ожоги и делать менее травматичные имплантаты с помощью матриксов можно уже сейчас. опубликовано 

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

 

Присоединяйтесь к нам в Facebook и во ВКонтакте, а еще мы в Однокласниках

Источник: kot.sh/statya/222/tomskie-matriksy