Спрос на зубные импланты в России стремительно растет: за последние 4 года продажи увеличились на 81%. Однако для успешной установки зачастую требуется предварительно нарастить костную ткань. Только в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ежегодно проводится более 60 тысяч таких операций. Еще сотни тысяч хирургических вмешательств по восстановлению кости требуются после сложных переломов, травм, удаления опухолей. Ученые Пермского Политеха совместно с Балтийским федеральным университетом поучаствовали в создании материала, который имитирует структуру живой кости, безопасно интегрируется с тканями пациента и запускает естественный процесс восстановления, становясь прочной основой для роста тканей. Для этого они выбрали морской коллаген, его можно выделить из отходов рыбной промышленности, но в России для подобных целей он еще не используется. Это открывает путь к созданию нового поколения медицинских имплантов, способных решать сложнейшие задачи медицины.
Статья опубликована в научном журнале «Biomedical and Biotechnology Research Journal».
Ежегодно в России проводят более 1,6 миллиона операций, в которых требуется восстановить утраченную костную ткань. К этому приводят сложные переломы, тяжелые спортивные и автомобильные травмы, а также обширные операции по удалению опухолей или очагов инфекции. Для пожилых пациентов процесс восстановления становится особенно долгим и сложным, поскольку естественные механизмы заживления у них работают недостаточно эффективно.
До сих пор самый надежный способ нарастить кость — это пересадить собственные ткани пациента, например, взятые из кости таза, ребер, части челюсти. Однако это ведет к новой, часто очень болезненной операционной ране и увеличивает риск осложнений. Также после серьезных травм, сложных операций по удалению опухолей, при уменьшении объема кости после потери зубов своего ресурса не хватает.
Тогда врачи обращаются к искусственным заменителям. Однако они производятся из синтетических материалов или костной ткани другого организма. Иммунная система не всегда способна принять эти чужеродные материалы, что может приводить к воспалению в тканях и повышать риск отторжения и развития опухолевых заболеваний.
В качестве безопасной и естественной для организма альтернативы можно использовать коллаген — это основной строительный белок организма, из которого состоят кожа, кости, хрящи и связки. По своей химической природе этот компонент идеально подходит для медицинских целей: организм хорошо воспринимает его, он постепенно рассасывается, уступая место новой ткани пациента.
Однако коллагену не хватает прочности. В чистом виде он не сможет заменить твердые ткани — кость или зубную эмаль. Для этого необходимо ввести гидроксиапатит — минерал, составляющий основу натуральной кости.
Соединить «мягкий» органический белок с «твердым» минералом в единый прочный материал — важная технологическая задача. Обычные методы химического «сшивания» разрушают нежную структуру коллагена, лишая его биологической активности, или используют токсичные вещества, которые остаются в материале и вредят клеткам.
Ученые Пермского Политеха под руководством коллег из Балтийского федерального университета поучаствовали в разработке технологии создания искусственного материала, похожего на костную ткань.
В качестве основы для биоматериала традиционно используют коллаген из тканей крупного рогатого скота или свиней. Несмотря на доступность, он часто вызывает аллергические реакции и несет риск передачи инфекций, а также может быть неприемлем для пациентов определенных культур и религиозных традиций.
Ученые предложили использовать универсальную и этически нейтральную альтернативу — морской коллаген из биомассы медуз или кожи судака. Он гипоаллергенен и полностью безопасен, это превращает доступные отходы рыбной промышленности в ценное сырье, что делает подход безвредным, этичным и экономически выгодным. Сейчас его уже используют, например, в косметологии, но для производства заменителей костной ткани в России не применяют.
После выделения коллагена его смешивали с водой до состояния геля и приступили к его соединению с костным минералом — гидроксиапатитом. Экспериментальным путем подобрали идеальное соотношение компонентов: 1 грамм белка на 0.25 грамма этого соединения. Именно такая пропорция сохраняет эластичность материала, не жертвуя прочностью.
Чтобы найти оптимальный способ создания материалов для восстановления костной ткани, ученые сравнили два принципиально разных метода сшивания коллагена с гидроксиапатитом: соединение с помощью глутарового альдегида (GA), часто используемого для подобных целей, и современную биосовместимую систему EDC/NHS.
Для объективного сравнения двух методов соединения ученые проанализировали микроструктуру получившихся материалов, целостность коллагена и биологическую устойчивость к разрушению в организме.
Чтобы проверить, как сшивание повлияло на структуру коллагена, исследователи применили инфракрасную спектроскопию — метод, выявляющий химические связи в веществе по тому, как оно поглощает свет. Обнаружили, что с помощью сшивания EDC/NHS можно сохранить природную структуру коллагена, благодаря чему организм воспримет имплант как «свой» и позволит ему безопасно интегрироваться с тканями.
Ученые исследовали материалы под электронным микроскопом, чтобы увидеть распределение частиц гидроксиапатита — минеральной основы костной ткани.
— Новый метод EDC/NHS формирует структуру с равномерно распределенными частицами средним размером 8 микрометров, что вдвое меньше, чем при использовании глутарового альдегида (15 микрометров). Такая структура с мелкими, равномерно распределенными частицами точнее повторяет архитектуру натуральной кости и создает оптимальные условия для интеграции импланта с живыми тканями, — отмечает Юлия Куликова, старший научный сотрудник НОЦ «Промышленные биотехнологии» БФУ им. И. Канта.
Чтобы изучить, как долго материалы смогут противостоять естественному разрушению в организме, специалисты использовали фермент коллагеназу. Это вещество, которое наши клетки выделяют при заживлении ран и обновлении тканей.
Тест имитировал реальные условия, в которых окажется имплант после установки. При обработке материал, сшитый EDC/NHS, высвободил всего 0,015 ммоль продуктов распада, тогда как соединенный глутаровым альдегидом — 0,385 ммоль. Это значит, что имплант, созданный новым способом, сможет значительно дольше сохранять свою структуру в организме и выполнять роль прочной основы для роста костной ткани пациента.
— Это исследование открывает путь к созданию нового поколения биомедицинских материалов. На основе технологии можно будет производить целый ряд медицинских продуктов: от биоматериалов для наращивания кости в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии до специализированных биочернил для 3D-печати индивидуальных имплантатов сложной формы, — объясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ
Источник фото: ru.123rf.com
