Рассказываем об исследованиях и разработках нескольких молодых ученых

Наука и жизньНаука

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год

Материалы подготовили Татьяна Зимина и Максим Абаев.

В феврале 2022 года состоялось награждение молодых учёных — лауреатов премии Правительства Москвы. Премии за достижения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, способствующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы, присуждаются ежегодно. В апрельском номере журнала рассказывалось об исследованиях и разработках нескольких лауреатов 2021 года (см. «Наука и жизнь» № 4, 2022 г.). Представляем ещё три работы.

Композиты для костных имплантатов

Некоторые травмы и болезни костей, суставов, кожи приводят к потере фрагментов этих органов, что нередко влечёт за собой инвалидность пострадавшего человека. Избежать инвалидности помогает реконструктивная медицина — восстановление утерянного или разрушенного костного, хрящевого или кожного фрагмента с помощью искусственных имплантатов.

На сегодняшний день реконструктивная медицина достигла очень неплохого уровня благодаря новым материалам, из которых изготавливают имплантаты, и технологиям, позволяющим получать изделия сложной формы, точно отвечающие конфигурации замещаемого дефекта, и, конечно, таким методам диагностики, как МРТ и КТ, с помощью которых эти сложные формы выявляют. Требования к замещающим изделиям известны: они должны быть совместимы с организмом человека, то есть не отторгаться и не быть для него токсичными, и обладать определёнными механическими свойствами — прочностью, пластичностью, стойкостью к циклическим нагрузкам. Кроме того, очень желательно, чтобы имплантаты постепенно распадались (деградировали, этот процесс называется биорезорбцией) в живом организме, впоследствии замещаясь на собственную новую костную, хрящевую или кожную ткань. Эта новая концепция, пришедшая взамен концепции замещения, называется инженерией костной ткани.

Суть тканевой инженерии — регенерация биологических тканей при помощи несущих конструкций (матриксов) из биорезорбируемого материала в сочетании с донорскими клетками или биоактивными веществами (например, противомикробными лекарствами, белками). На этом матриксе, который имплантируют в повреждённый орган или ткань, и будет наращиваться новая собственная ткань.

Материал для матрикса должен обеспечивать надёжную опору в зоне повреждения в период регенерации, обладать структурообразующими свойствами, противостоять сжимающим напряжениям, которые могут возникать при «засеивании» его клетками на стадии до имплантации и при прорастании в него клеток уже внутри организма. При этом донорские клетки и биологически активные вещества (в случае их использования) должны иметь хорошее сцепление с его поверхностью, то есть обладать хорошей адгезией. Адгезивные свойства матрикса обеспечиваются определённым химическим составом материала.

Сегодня немалые надежды в регенеративной медицине возлагают на материалы на основе фосфатов кальция, которые по своему составу довольно близки к натуральной костной ткани. Помимо того, что они не вызывают отрицательных иммунных реакций, продукты их распада нетоксичны для организма. Исследователи работают над созданием таких материалов, биорезорбция которых идёт со скоростью, близкой к скорости образования новой костной ткани. Причём акцент делают на керамических материалах, обладающих подходящими механическими свойствами.

Подобными исследованиями занимаются в Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН). Сотрудники института, среди которых кандидат технических наук Маргарита Гольдберг и кандидат технических наук Анастасия Тетерина, разработали технологии получения новых композитных материалов для многих медицинских применений. В их числе остеопластические материалы на основе фосфата кальция. Прежде чем приступить собственно к разработкам технологий, материаловеды сосредоточились на исследовании того, как состав и структура материалов оказывают влияние на их способность к образованию нужной формы (то есть на формообразование), как могут влиять на свойства конечного продукта условия его получения, например, температура, а также те или иные микродобавки.

Созданные в ИМЕТ РАН кальций-магний-фосфатные материалы с новыми составами, получаемые по новой технологии синтеза в одном сосуде, имеют пастообразную консистенцию и не требуют предварительного механического смешения порошков компонентов — это существенно упрощает их применение для замещения дефектов костной ткани. Да и их механические свойства и биологический отклик стало легко прогнозировать, что не скажешь про классические кальций-фосфатные цементные материалы. Многие же свойства новых материалов (физико-химические, время схватывания, прочность, растворимость в организме) оказались лучше мировых аналогов.

Инновационные материалы с введённым в них антимикробным препаратом ванкомицином испытали на мелких лабораторных животных. Антимикробные препараты нужны для предотвращения возможных воспалительных процессов после им-плантации искусственных заместителей. причём если эти препараты вводить непосредственно в имплантат, то лекарство будет доставляться непосредственно в поражённый участок. Эксперименты показали, что новые композиты обладают остеокондуктивными свойствами, то есть способны служить каркасом, к которому костные клетки (остеобласты и остеокласты) могут прикрепляться, мигрировать на нём, расти и делиться.

Структуру материала можно менять, добавляя в него примеси (допирующие добавки). В случае материалов на основе фосфатов кальция речь идёт о литии, алюминии, железе. А изменение структуры влечёт за собой и изменение свойств. Сотрудники ИМЕТ РАН разработали методы синтеза порошков катион-замещённых фосфатов кальция с наноструктурой и мезопорами, обладающих очень большой, даже рекордной удельной поверхностью (до 195 м2/г), и получили материалы, перспективные в качестве носителей лекарственных веществ и других биоактивных молекул.

Применение в совсем другой области — в качестве катализатора для очистки нефтепродуктов от серы — нашли синтезированные железо-замещённые мезопористые материалы на основе гидроксиапатита (формула Ca10(PO4)6(OH)2). Серосодержащий компонент нефти (дибензотиофен) в присутствии такого катализатора подвергается 100%-ной конверсии за 25—30 минут. Такие результаты продемонстрированы впервые в мире.

В реконструктивной медицине помимо «чисто» магний-фосфатных материалов всё больший интерес вызывают композиты с биосовместимыми полимерами. Как пояснила Анастасия Тетерина, биополимер-фосфаты кальция предназначены для дефектов с меньшей механической нагрузкой, чем магний-фосфатные материалы, например для замещения хрящевой ткани. Такие материалы обладают более высокой пористостью и скоростью резорбции, а значит, быстрее протекают процессы васкуляризации (образования сосудистой сети) и замещения. Очевидно, что благодаря использованию трёхмерной печати можно получать имплантаты с архитектурой, очень точно повторяющей архитектуру дефекта. Для этого сначала получают трёхмерную модель требуемого фрагмента ткани пациента с помощью, например, рентгеновского компьютерного томографа и затем оперативно изготавливают её точную копию из композита. В поверхность композитного материала можно дополнительно вводить лекарственные средства, факторы роста (это называется биоинспирированием поверхности) — для их локальной доставки в операционную область. Биоинспирирование поверхности материалов обеспечивает сорбцию биологически активных веществ из биологических жидкостей организма, то есть служит своего рода залогом качественной интеграции имплантата с окружающими тканями и быстрого формирования собственного костного эквивалента.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Профессор Эйнштейн. Распространённые ошибки его биографов Профессор Эйнштейн. Распространённые ошибки его биографов

Рассказывать о жизни Эйнштейна часто берутся люди, слабо знакомые с предметом

Наука и жизнь
Как экономить, если денег и так ни на что не хватает? Способы, которые работают Как экономить, если денег и так ни на что не хватает? Способы, которые работают

Как экономить еще сильнее, если ты уже экономишь?

The Voicemag
Свет по шнурку. Оптоволокно – что такое, как работает и зачем нужно Свет по шнурку. Оптоволокно – что такое, как работает и зачем нужно

Как удалось передать свет по проводам, и почему именно свет?

Цифровой океан
Персона Персона

О будущем B2B-сегмента в интернет-торговле

Robb Report
Вегетососудистая дистония и старческое слабоумие: 5 диагнозов, существующих только в России Вегетососудистая дистония и старческое слабоумие: 5 диагнозов, существующих только в России

В России до сих пор ставят диагнозы, которые не признают во всем остальном мире

Psychologies
Режиссер Яна Гладких о сериале Amore more Режиссер Яна Гладких о сериале Amore more

О консерватизме русской публики и поиске того, что делает человека счастливым

СНОБ
Книги с захватывающим сюжетом: 5 историй о гонках, вoйне и нацистской Германии Книги с захватывающим сюжетом: 5 историй о гонках, вoйне и нацистской Германии

Подборка книг, сюжет которых не уступает лучшим триллерам в кино

TechInsider
Возвращение королей. Ультралюкс из прошлого, возрожденный в наши дни Возвращение королей. Ультралюкс из прошлого, возрожденный в наши дни

Кто и зачем возвращает забытые супербренды Delage и Hispano-Suiza

РБК
«Где они все?» Ученые объяснили, почему инопланетяне до сих пор не прилетели на Землю «Где они все?» Ученые объяснили, почему инопланетяне до сих пор не прилетели на Землю

Астробиологи попытались разрешить парадокс Ферми

Вокруг света
Против ногтей, ресниц и брюк: как власти Туркменистана регулируют внешний вид женщин Против ногтей, ресниц и брюк: как власти Туркменистана регулируют внешний вид женщин

В Туркменистане — очередная волна запретов, касающихся внешнего вида женщин

Forbes
Сати Спивакова: «Спустя целую жизнь я наконец-то занимаюсь любимым делом» Сати Спивакова: «Спустя целую жизнь я наконец-то занимаюсь любимым делом»

Сати Спивакова о том, как вернулась на театральную сцену спустя много лет

Эксперт
Сгладить ситуацию Сгладить ситуацию

Причины появления растяжек на теле и как с ними бороться

Лиза
Диетолог из Гарварда назвала 5 видов продуктов, которые заставляют вас чувствовать себя уставшими и тревожными Диетолог из Гарварда назвала 5 видов продуктов, которые заставляют вас чувствовать себя уставшими и тревожными

Какие продукты могут вызвать тревогу и усталость

Inc.
«Со всем, что мы вытеснили, нам придется встретиться лицом к лицу» «Со всем, что мы вытеснили, нам придется встретиться лицом к лицу»

Василиса Кузьмина о байопике Ники Турбиной и конце девяностых

Weekend
Топ-6 бесплатных VPN-расширений для браузера Chrome Топ-6 бесплатных VPN-расширений для браузера Chrome

Самые популярные и надежные VPN-сервисы для Chrome

CHIP
Физики постримили игру с помощью ридберговских атомов Физики постримили игру с помощью ридберговских атомов

Американские физики использовали газ атомов в качестве приемной антенны

N+1
«Ну не меняться же мне из-за каждого идиота!»: крылатые фразы киногероев Олега Янковского, которые стыдно не знать «Ну не меняться же мне из-за каждого идиота!»: крылатые фразы киногероев Олега Янковского, которые стыдно не знать

Самые крылатые фразы киноперсонажей Олега Янковского

Maxim
Начнём с того, что нельзя доверить другим секс и еду: как перестать брать задачи на себя и начать делегировать Начнём с того, что нельзя доверить другим секс и еду: как перестать брать задачи на себя и начать делегировать

Нельзя доверить другим секс и еду: как научиться делегировать обязанности?

VC.RU
Освободите себя от ненужных споров Освободите себя от ненужных споров

8 правил деэскалации в общении

Reminder
«Люди делают свою биографию в той или иной степени сознательно» «Люди делают свою биографию в той или иной степени сознательно»

Филолог Игорь Пильщиков вспоминает о Юрия Лотмана и Тартуско-московскую школу

Arzamas
«И вся эта смерть продолженье» «И вся эта смерть продолженье»

О чем и как писал поэт Алексей Цветков

Полка
Капкан ипотеки Капкан ипотеки

За что могут выселить из квартиры и как этого избежать

Лиза
Почему все так любят Блейк Лайвли и Райана Рейнольдса: психотерапевт описывает эту пару Почему все так любят Блейк Лайвли и Райана Рейнольдса: психотерапевт описывает эту пару

Для многих эта пара — эталон счастливого брака. В чем их секрет?

Psychologies
Выйти из треугольника драмы: как начать конструктивный диалог в критической ситуации Выйти из треугольника драмы: как начать конструктивный диалог в критической ситуации

Как выйти из ситуации, если вы оказались в одной из ролей треугольника Карпмана

Forbes
Как английский поэт XIX века смог в одном четверостишии отразить главный принцип психотерапии XXI века Как английский поэт XIX века смог в одном четверостишии отразить главный принцип психотерапии XXI века

Поэт Уордсуорт предвосхитил идеи современной когнитивно-поведенческой терапии

Psychologies
Не очень юные гении: 10 вундеркиндов, переживших детство Не очень юные гении: 10 вундеркиндов, переживших детство

Гении: от Моцарта до Тупака Шакура

Вокруг света
Вы приняты! Вы приняты!

5 мошеннических схем при поиске работы в соцсетях: не дай себя обмануть

Лиза
Топ-10 видеорегистраторов 2022 года: рейтинг лучших моделей Топ-10 видеорегистраторов 2022 года: рейтинг лучших моделей

Если вы еще не купили видеорегистратор для автомобиля, самое время это сделать

CHIP
«Никак не могу решиться на изменения в жизни. Как стать более смелой?» «Никак не могу решиться на изменения в жизни. Как стать более смелой?»

Как научиться быть готовой к любым изменениям?

Psychologies
Больше всего веселятся во время кремации: как проходят похороны королевских особ на Бали Больше всего веселятся во время кремации: как проходят похороны королевских особ на Бали

Как смерть монарха может стать поводом для всенародного празднества

Вокруг света
Открыть в приложении