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

Самолет комсомольцев Самолет комсомольцев

Уникальный авиационный проект, созданный комсомольцами и на деньги комсомола

Популярная механика
Львинохвостые макаки, или Вандеру Львинохвостые макаки, или Вандеру

Львинохвостые макаки – очень капризные и не желающие быть фотомоделями

Знание – сила
Перья помогли динозаврам пережить вымирание 200 миллионов лет назад Перья помогли динозаврам пережить вымирание 200 миллионов лет назад

Перья спасли динозавров от холода во время вулканических зим

N+1
Одно из самых опасных транспортных средств: как погибла Мэри Уорд — первая в мире жертва автомобильного ДТП Одно из самых опасных транспортных средств: как погибла Мэри Уорд — первая в мире жертва автомобильного ДТП

Кто такая Мэри Уорд и как она связана с первым в мире ДТП

ТехИнсайдер
Иван Васильевич меняет биографию Иван Васильевич меняет биографию

Как физики расследуют преступления, совершенные сотни лет назад?

Популярная механика
Завтра наступит сегодня Завтра наступит сегодня

Примеряемся к автомобилям из области фантастики

Moodboard
Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе Спаривание черного ягуара впервые запечатлели в природе

Самка-меланистка совокупилась с пятнистым самцом в одном из национальных парков

N+1
Игорь Никитин: Вокруг меня нет случайных людей Игорь Никитин: Вокруг меня нет случайных людей

Тренер ПХК ЦСКА Игорь Никитин — о подготовке команды к сезону и личной жизни

Ведомости
Крыло, похожее на тюльпан, – винт вертолета Крыло, похожее на тюльпан, – винт вертолета

Как всего два винта делают вертолёт летающей машиной?

Наука и техника
Братские портреты Братские портреты

Братские портреты навсегда остались бы неизвестными, если бы не парное сочетание

Дилетант
Пинты лиха Пинты лиха

Культура Туманного Альбиона кроется в акцентах — в том числе и музыкальных

Weekend
От бобра до банкротства: 1670–2025 От бобра до банкротства: 1670–2025

История самой старой компании Северной Америки

Деньги
20 легендарных мультфильмов для всех возрастов, которые должен посмотреть каждый хоть раз в жизни 20 легендарных мультфильмов для всех возрастов, которые должен посмотреть каждый хоть раз в жизни

Мультики, которые стоит посмотреть всем вне зависимости от возраста

Правила жизни
AvtoRevizorro рассказал, как работают автоскамеры нового поколения AvtoRevizorro рассказал, как работают автоскамеры нового поколения

AvtoRevizorro раскрыл схему обмана клиентов через благотворительность

РБК
Марина Монгуш: «Креативная экономика — это не только про деньги, но и про социальные эффекты» Марина Монгуш: «Креативная экономика — это не только про деньги, но и про социальные эффекты»

Почему креативная экономика становится движущей силой развития России?

ФедералПресс
Дорогой лапши Дорогой лапши

Китайская лапша давно свернула с Великого шелкового пути

Seasons of life
Святая обитель Святая обитель

Остров Валаам – место притяжения паломников, историков и археологов

Отдых в России
Обратная связь планеты Обратная связь планеты

Почему Арктика — самое «горячее» место на планете?

Наука и жизнь
Поклон Осаке Поклон Осаке

Футуристическая, эксцентричная Осака сохранила дух настоящего нонконформизма

Y Magazine
ИИ в школе: инструмент или угроза? ИИ в школе: инструмент или угроза?

Внедрение ИИ — неизбежный этап. Какова будущая роль учителя в новой системе?

Монокль
Культ личности Культ личности

Как повысить самооценку и изменить жизнь к лучшему

Лиза
Аграрий 2.0: 10 профессий, показывающих, как технологии меняют сельское хозяйство Аграрий 2.0: 10 профессий, показывающих, как технологии меняют сельское хозяйство

От сити-фермеров до агроинженеров — спектр новых профессий впечатляет

Maxim
Урожаи вырастут на поливе Урожаи вырастут на поливе

Что сдерживает распространение ирригационных технологий

Агроинвестор
Сцена Сцена

Важнейшие события российской театральной сцены 2025

RR Люкс.Личности.Бизнес.
«Владивосток может стать новым Гонконгом» «Владивосток может стать новым Гонконгом»

Экономический ландшафт Дальнего Востока меняется, он привлекает инвестиции

Деньги
Вокруг Байкала Вокруг Байкала

Мы обошли наводненные туристами места, чтобы увидеть дикий Байкал

Отдых в России
Пугающая ошибка на Windows: что такое синий экран смерти и как его исправить Пугающая ошибка на Windows: что такое синий экран смерти и как его исправить

Расшифровка кодов ошибок синего экрана Windows и способы их быстрого устранения

ТехИнсайдер
Москва — Дагестан Москва — Дагестан

У дагестанцев есть уникальное умение — перенимать новое и сохранять самость

Seasons of life
ИП или ООО — вот в чем вопрос: какую форму ведения деятельности выбрать МСП ИП или ООО — вот в чем вопрос: какую форму ведения деятельности выбрать МСП

ИП и ООО: чем отличаются и какая форма ведения бизнеса подойдет именно вам?

Inc.
Вулкан как туристская достопримечательность Вулкан как туристская достопримечательность

«В провинции Масая имеется огромное огненное жерло, вечно горящее...»

Наука и жизнь
Открыть в приложении