Российские учёные разработали биоподобные материалы, которые в уменьшенном виде вводятся в организм и принимают нужную форму уже внутри тела. Разработка основана на эффекте памяти формы. Предложенные технологии полезны для создания биоразлагаемых имплантатов и средств адресной доставки лекарств и клеточного материала к внутренним органам без ущерба для кожных покровов и остальных тканей. Новые материалы были получены на основе полиактида, который обладает биосовместимыми и биоразлагаемыми свойствами.
Новое — хорошо забытое старое
Исследователи Университета МИСИС разработали биоподобные аналоги живых тканей, которые могут в виде небольших «свертков» вводиться в организм и расправляться внутри тела, принимая нужную заранее запрограммированную форму. В основе разработки — полимеры с эффектом памяти формы. Это материалы, которые способны «запомнить» свой первоначальный облик, измениться под действием определенных стимулов и затем вновь восстановить исходное состояние. Такие свойства дают возможность производить лечение внутренних органов без повреждения внешних покровов и остальных тканей.
Интересно, что новые материалы были получены на основе полиактида. Это вещество хорошо известно в медицине как безопасный материал, который зарекомендовал себя высокими биосовместимыми и биоразлагаемыми свойствами. В частности, из полиактида изготавливают нити для сшивания ран и протезы для внутренних органов.
Образцы материалов с эффектом памяти формы
В свою очередь, специалисты нашли в этом материале новые свойства и сумели модифицировать его таким образом, чтобы придать способность восстановить после произведенной деформации исходно заданную форму.
— Этот эффект обусловлен структурой модифицированного материала. В частности, в полимере молекулярные цепочки могут содержать мягкие и жесткие сегменты. Они одинаковы при обычных условиях, но по-разному ведут себя при их изменении, — рассказала «Известиям» инженер Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Университета МИСИС Полина Ковалева.
Например, при нагревании мягкие сегменты становятся вязкими и текучими, пояснила она. В таком состоянии материал легко деформировать. Затем его охлаждают и фиксируют временную форму. При следующем нагревании мягкие сегменты высвобождают запасенную энергию и восстанавливают исходный облик материла.
По словам ученого, у полимеров с эффектом памяти формы существует ряд объективных преимуществ по сравнению с аналогичными металлическими материалами. В том числе у них больше возможностей по изменениям, которые можно заложить в память формы, и ими легче управлять. Также полученные полимеры способны биодеградировать, то есть разрушаться, когда потребность в них заканчивается.
— Наша разработка — это нетканый волокнистый материал. Внешне он похож на «ватку» или «бумажку» и состоит из множества слоев волокон. Такую структуру можно сжать, зафиксировать и в уменьшенном виде поместить внутрь организма. Заняв нужную позицию, имплантат под воздействием температуры тела самостоятельно восстановит первоначально заданную форму и станет частью конструкции внутреннего органа, — объяснила специалист.
Живые структуры
По своим свойствам предложенные материалы напоминают межклеточное волокнистое вещество — матрикс, — что позволяет их также использовать для тканевой инженерии, пояснила Полина Ковалева. То есть такие полимеры можно насыщать живыми клетками для выращивания тканей и фрагментов внутренних органов с нужными параметрами. В частности, такая технология оптимальна для создания структур со сложной геометрией. Например, кровеносных сосудов или трубчатых органов.
— Клеткам комфортнее заселять ровную поверхность. Иначе они сконцентрируются в нижней части конструкции. Поэтому в мире разрабатывают системы для равномерного переворачивания заготовок с клетками. Наши технологии гораздо проще. Мы заселяем заготовку в плоском виде, а потом внутри тела активируем память формы, чтобы конструкция приняла правильный облик, — объяснила она.
По ее словам, разработка также будет полезна для адресной доставки лекарственных веществ внутрь организма. Кроме того, можно химически привязать к волокнам различные белки, чтобы транспортировать их к внутренним органам и запускать в нужном месте регенеративные функции.
— Вариантов применения предложенной технологии много, поскольку были разработаны только материалы-основы и исследованы способы управления ими. Дальнейшее развитие технологии зависит от запросов и потребностей со стороны профессионального сообщества, — сообщила специалист.
Она добавила, что, в частности, в ходе исследования, была создана тонкая пленка с эффектом памяти формы. При подкожном воспалении ее можно малоинвазивно (через микроотверстия) доставить к поврежденным тканям. Пленка будет неощутима для организма, а по прибытии на место она самостоятельно развернется на всю площадь воспаления и окажет полезное действие благодаря препарату, которым предварительно была пропитана.
— Полимеры с эффектом памяти формы могут стать хорошим подспорьем в лицевой хирургии. В этой сфере у специалистов зачастую в распоряжении только небольшое оперативное пространство, где много жизненно важных органов. Поэтому возникает задача, как произвести операцию и на причинить существенный вред, — рассказала «Известиям» заведующая лабораторией молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга Московского физико-технического института Елена Петерсен.
Она отметила, что с таким же ограничением врачи сталкиваются при оперативном вмешательстве в другие области человеческого тела.
— Преимущества материалов на основе полиактида — их относительная дешевизна. Поэтому они широко востребованы в медицине и находят применение в разных ее областях. Материалы с эффектом памяти формы также будут полезны и расширят арсенал врачей в сфере восстановительной медицины, — считает директор Научно-клинического центра прецизионной и регенеративной медицины Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Альберт Ризванов.
Он добавил, что такие материалы можно использовать и для доставки препарата, и как матрицу для клеточной терапии. Однако, по словам эксперта, в настоящее время исследование находится на концептуальном этапе. И в дальнейшем потребуются значительные усилия для внедрения предложенных материалов в клиническую практику.
Андрей Коршунов
