Детали для биоробота

Имплантаты в человеческом теле давно перестали мелькать только в книгах фантастов. Ученые проводят доклинические исследования, чтобы врачи заменяли и чинили больные органы, а также доставляли лекарства в микро- и наночастицах прямиком к пораженным тканям. Этого нельзя было достичь без изучения биосовместимых материалов.

Границы безвредности

Биосовместимость — это способность материалов или устройств встраиваться в организм пациента и выполнять свои функции с минимумом побочных эффектов. То есть материал, имплантируемый в человеческое тело, не должен вызывать воспалительные реакции или инфекции. К тому же биосовместимому девайсу необходимо сохранять заявленные свойства в течение указанного производителем периода эксплуатации, несмотря на механические и гидродинамические нагрузки.

Сейчас ни один материал не может гарантировать стопроцентную приживаемость в человеческом теле. Один из способов решения этой проблемы — структурирование имплантата, например, с помощью лазера. Его излучение может воздействовать на материал, чтобы улучшить его косвенные признаки биосовместимости, такие как рельеф, химический состав и смачиваемость. Лазерный пучок при взаимодействии с поверхностью нагревает ее, плавит и испаряет верхний слой. Образуется оксидная пленка, которая делает материал более устойчивым к коррозии. Если варьировать режимы лазерной обработки, то можно получить поверхность с различными диаметрами пор и значениями шероховатости.

Идеальный материал

Имплантат — это чужеродное тело, поэтому, чтобы уменьшить риск его отторжения и добиться более быстрого заживления, необходимо не только выбрать нужный материал, но и создать определенный рельеф на нем.

Сначала материал для имплантируемых устройств подбирали с точки зрения безопасности. Это значит, что структуры должны быть не токсичными, химически и биологически инертными. По этим параметрам для вживления в человеческий организм идеальными кандидатами оказались сплавы на основе титана. Чтобы увеличить их прочность, не всегда можно использовать добавки на основе алюминия, олова, никеля или хрома, так как они могут быть токсичными для человека. Поэтому вместо добавок часто применяют наноструктурированный титан или его сплавы.

В то же время в некоторых медицинских целях, например для восстановления костей или замены сердечных клапанов, материал должен взаимодействовать с окружающей живой тканью. В таких случаях использовать инертные материалы неэффективно, и вместо них врачи и ученые применяют биокерамические изделия.

Врачи также пытаются не заменить больную ткань новой синтетической, а регенерировать ее. Для этого ученые разрабатывают матриксы, состоящие из биополимеров со стволовыми клетками. Подобные структуры постепенно растворяются в организме, и их замещает новая здоровая ткань.

Прямо по адресу

Вопрос биосовместимости нельзя обойти стороной и при целевой доставке лекарств (drug delivery). В качестве оболочки действующего вещества используют микро- и наноносители, которые достигают пораженной области организма или пассивным, или активным путем.

В первом случае развитие воспалительного процесса приводит к повышенному кровотоку и, следовательно, накоплению наночастиц в пораженных тканях. При активном методе доставки носители модифицируют молекулами-лигандами, которые могут соединяться только со специфическими рецепторами. Если подобрать «агент» под нужную «мишень», то лекарство будет сконцентрировано только в пораженной области, что минимизирует риск побочных эффектов.

Носители не должны вызывать негативный отклик у иммунной системы, поэтому часто для целевой доставки применяются биологические структуры, например липосомы. Эти липидные соединения схожи по свойствам с мембранами клеток. Также «контейнерами» для лекарств могут служить форменные элементы крови. Ученые делают носители из белков плазмы крови, эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов.

Неорганические материалы тоже используют в целевой доставке лекарств. Часто для этого в качестве носителей берут соединения кальция. К примеру, у частиц гидроксиапатита или карбоната кальция во время синтеза можно легко контролировать размер и форму. Но они практически никогда не используются в «голом» виде: частицы покрывают различными полимерами, чтобы сделать более стабильными.

Сложности выбора

Получается, что универсального материала для биоимплантатов и вживляемых устройств не существует. Врачам нужно выбирать: требуется ли от организма отклик на инородное тело для лечения, должен ли материал игнорироваться организмом или же нужен биосовместимый транспорт для лекарства.

Артур Прилепский, к. б. н., научный сотрудник международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» Университета ИТМО

Две идеальные стратегии для имплантируемых объектов — это или модифицированные части тела самого человека, или то, что вообще будет минимально взаимодействовать с биологическими жидкостями и молекулами. Во втором случае крайне полезно свойство гидрофобности. Широко распространены тефлоновые имплантаты, которые используются в сосудистой хирургии и устанавливаются вместо поврежденных сосудов, например при атеросклерозе. Благодаря структуре поверхности, сформированной микронитями, на них практически не адгезируются тромбоциты и другие клетки крови.

Существуют и сосудистые стенты, которые прошли путь от первого до третьего поколения: от чисто металлических изделий из нитинола (титано-никелевого сплава с эффектом «памяти формы», то есть возвращения в исходную форму при нагревании — примеч. ред.) до биоразлагаемых полимеров с возможностью высвобождения лекарственных веществ. Эти структуры — настоящее произведение искусства на стыке инженерии и химической технологии. Такие же биоразлагаемые скаффолды (своего рода строительные леса) используют для замещения частей человеческого тела. Ученые могут взять у человека его же эпителиальные клетки, создать полимерный каркас нужной формы, посадить туда эти клетки, а затем имплантировать искусственный, например, клапан сердца. Матрица рассосется, клетки продолжат делиться, и клапан будет функционировать как родной, не требуя замены по мере роста и развития организма.