Полимерные импланты

Дмитрий Иванов, директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ:

 — Мы работаем с людьми, которые помогают нам моделировать новые материалы. В частности, те материалы, которые будут имитировать свойства мягких тканей организма: кожи, жировой ткани. Наша международная команда разрабатывает материалы, которые будут точно воспроизводить индивидуальные свойства пациента. Было обнаружено, что индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей — скажем, кровеносных сосудов — сильно различаются. Поэтому важно уметь делать материалы, соответствующие точно заданным свойствам, другими словами — воспроизводить свойства тканей пациента.импл.jpg

Материал импланта должен деформироваться так же, как и окружающая его живая ткань. Для примера возьмем имплантаты межпозвоночных дисков. Межпозвоночная грыжа — это заболевание межпозвоночного диска, который соединяет позвонки. сложно структурированного композитного материала из коллагена, который обеспечивает механику позвоночника. Если коллагеновый диск разорвался, вытекшая жидкость начинает оказывать давление на нерв, из-за чего уменьшается кровоток и нерв может отмереть. Это приводит к параличу ног, например, если речь идет о грыже поясничного отдела. В случае грыжи позвонков шейного отдела может наступить паралич рук, остановка сердца и дыхания. То есть в такой ситуации нужно в первую очередь спасти нерв. Но спасти таким образом, чтобы сохранилась физическая подвижность.

Раньше поврежденный диск удаляли и на его место вставляли полипропиленовый вкладыш вкладыш. Полипропилен — классический полимер, который применяется во многих областях медицины. Но по механическим свойствам он сильно отличается от коллагена, в первую очередь потому, что полипропилен тверже. После вставки полипропиленового вкладыша механические нагрузки переносятся на следующую пару позвонков, и через несколько лет развивается грыжа следующего диска.

«Мы начали эту работу в сотрудничестве с американскими химиками и полимерными физиками. Они профессионально занимаются симуляцией механических свойств полимеров, то есть рассчитывают процесс деформации полимерных материалов, имеющих сложную макромолекулярную структуру. Когда мы только начинали этим заниматься, все говорили, что невозможно воспроизвести механику живых тканей, потому что она не подчиняется тем же законам, которые управляют механикой обычных эластомеров», — вспоминает Дмитрий Иванов.

Эластомеры — это класс высокоэластичных полимеров, сила сопротивления деформации у которых изменяется по определенным законам. Эластомеры ведут себя совсем не так, как живые ткани. Кожа, например, ведет себя совершенно иначе — она очень мягкая в исходном недеформированном состоянии. Но при этом потребуется достаточно большое усилие, чтобы сделать ее, например, в два раза длинее. Механика биологических тканей объясняется присутствем в их основе волокон, состоящих из практически полностью вытянутых цепей. Когда вы начинаете деформировать живую ткань, эти волокна, изначально изотропно ориентированные в материале, ориентируются в направлении деформации, и вы практически сразу достигаете точки максимального растяжения. Дальше прилагаемая сила очень быстро возрастает с деформацией.

«Постепенно мы пришли к пониманию того, как отойти от этой парадигмы, согласно которой воспроизвести в синтетических полимерах механику биологических объектов невозможно. Вместе с химиками мы создали новый класс полимерных материалов, который полностью воспроизводит механику биологических тканей: кожи, легких, кровеносных сосудов. Это открывает совершенно новые перспективы в создании персонализированных имплантов, — полагает Дмитрий. — Ключевые параметры механики мы рассчитываем аналитически, на основе математических моделей материалов. В целом наша работа сводится к тому, что мы берем образец биологического материала, измеряем его механическую кривую и по ней сразу создаем новый материал, который точно ее воспроизводит».

Такой способ создания материалов стоит дорого, а полимеры, которые получаются на выходе, имеют узкую специализацию. Очевидно, что такие материалы будут доступны только для достаточно обеспеченных пациентов — по крайней мере на начальном этапе внедрения. Но за этим направлением будущее: медицина постепенно двигается в сторону персонализации и материалов, и методов. Когда-нибудь многие части организма, пострадавшую от болезни или травмы, можно будет заменить полимерами с аналогичными механическими свойствами.

Источник

Назад