Обмануть организм: наносеребро в разы ускорило восстановление после операции по замене кости

Имплантаты из пористого никелида титана, разработанные учеными Томского государственного университета, давно признаны в медицинской среде: на данный момент с ними проведено более 500 операций. Российские хирурги используют разработку томичей для замены фрагментов кости, утраченных, например, из-за саркомы или травмы. Осенью этого года завершились испытания на животных более продвинутой версии имплантатов — с наночастицами серебра. Их организм «принимает» еще быстрее. Как это работает, рассказываем в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».

Чем заменить кость?

Поменять какую-то «деталь» в организме человека — крайне сложная задача. У нас внутри все взаимосвязано, четко просчитано, тончайше подогнано. Если по каким-то причинам становится негодным, например, кусок кости, большая проблема — чем его заменить? Ведущий ученый мегагранта ТГУ, профессор кафедры инженерной механики Университета Южной Флориды Алексей Волынский рассказывал историю, как в Израиле познакомился с доктором, который восстанавливает лицо арабу, потерявшему часть лицевой кости из-за огнестрельного ранения. Несколько лет он вставляет ему жесткие пластинки, они не приживаются (потому что лицо всегда подвижно), пациент мучается… 

Или история из Красноярска: у пациента стояли титановые пластины в позвоночнике, из-за динамической нагрузки они начали разрушаться и отравлять ткани продуктами распада. Ну, а уж сколько по всей России было больных, лишившихся части кости из-за онкологических заболеваний!

Гульшарат Байгонакова, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы и лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ:

«К имплантатам есть два основных требования — биомеханическая и биохимическая совместимость. Организм — очень агрессивная среда, и имплантат должен быть коррозионно стойким. За это, в основном, отвечает поверхность материала. Биомеханика — это прочность, эластичность, способность выдерживать большие нагрузки. Способность «мимикрировать» под ткани организма, вести себя так же, как они. Быть не тверже и не мягче той же кости, а ровно таким же, деформироваться с той же амплитудой. Это залог того, что имплантат простоит у человека всю жизнь.»

Почему именно никелид титана?

Биосовместимые имплантаты из никелида титана — это, можно сказать, очень старая томская разработка, составы начали разрабатывать еще лет 30 назад. Давно доказано, что этот сплав эффективен для замены как мягких, так и твердых человеческих тканей. Но дело как обычно в нюансах. Как именно работать с порошком?

Ученые ТГУ стали использовать для «выпекания» имплантатов метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Это позволило регулировать пористость и проницаемость материалов, повторять их «губчатую» структуру. Плюс за счет свойств поверхности в имплантат легко прорастает биологическая ткань (это свойство называется адгезия). Организм признает его «своим», не отторгает.

Сплавы, разработанные учеными ТГУ, сверхэластичны, они релаксируют внутренние напряжения, имеют высокую циклическую выносливость. Эксперименты на специальном оборудовании показали, что пористый никелид титана выдерживает более 15 миллионов циклов сгибающей и растягивающей нагрузки без разрушения, он деформируется согласованно с живыми тканями.

Как быстро приживается имплантат?

Не было случая, чтобы никелид титана не сработал. Но как ускорить процесс восстановления после операции?

Гульшарат Байгонакова:

«И мы решили сделать наш материал, который и так хорош, еще лучше — добавили в сплав серебро (в виде нанопорошка). Наши инженеры-технологи подобрали определенные режимы в реакторе, чтобы оно распределялось равномерно. С древних времен известно, что этот металл обладает антибактериальными свойствами, но весь вопрос в количестве. Мы много экспериментировали и пришли к тому, что лучше всего добавлять до 1% серебра — тогда не просто минимизируется процесс воспаления, но и ускоряется остеогенез — прорастание костной ткани. Клетки растут даже еще быстрее, чем в случае с «обычным» никелидом титана.»

На базе вивария Екатеринбургского государственного медицинского университета с лета тестировали на животных новые имплантаты с серебром. Их вживляли в бедренную кость. Результаты компьютерной томографии впечатляют: на 75 сутки отмечена полная заполняемость костного дефекта, гнойно-воспалительные осложнения отсутствовали на всех сроках эксперимента. Восстановление всего за 2,5 месяца после операции, это фантастический результат, учитывая, что с традиционными материалами этот процесс растягивается на полгода и дольше. В 2023 году хирурги и материаловеды проведут первую операцию на человеке.