Медицина на грани фантастики

Когда человеку после серьезной травмы ставят металлический имплант, он сталкивается сразу с несколькими проблемами: как отреагирует организм на инородный материал, как долго будут восстанавливаться собственные костные ткани и проходить адаптация. Наконец, неизбежна повторная операция, чтобы имплант удалить. И снова — восстановление…

А что, если имплант будет растворяться в организме человека по мере срастания костей? Фантастика?

Для ученых Башкирского государственного медицинского университета уже реальность.

«Умный» имплант

Биолог по образованию, Марс Галаутдинов десять лет занимался нейрофизиологией зрения в «Аллопланте». В 2014 году он участвовал в стартапе по разработке приложения для виртуальной реальности, нацеленного на лечение косоглазия.

— За время работы я пришел к выводу, что сегодня очень востребованы аддитивные технологии и все инструменты, которые позволяют быстро прототипировать те или иные органы, — рассказывает ученый. — В итоге я познакомился с коллегами, которые занимались 3D-печатью, набирался у них опыта, а пять лет назад купил собственный принтер и научился моделировать сам.

Когда в Башкирском государственном медицинском университете начали разрабатывать материал для имплантов для замены больших костных дефектов, Марс Фларитович присоединился к этой работе и возглавил лабораторию аддитивных технологий Института фундаментальной медицины. В качестве материалов для имплантов использовались оксид циркония и оксид алюминия. Они оказались достаточно прочными и успешно применялись для воссоздания трущихся поверхностей, например, суставов.

Единственным минусом такого материала было то, что он оставался чужеродным для человеческого организма, мог выделять те или иные вещества и вызывать нежелательные воспалительные реакции. Так появилась идея создать материалы, которые со временем постепенно растворялись бы и замещались собственными тканями.

Задача, признается Марс Галаутдинов, была сложной. В качестве основного вещества использовали кальций. В итоге ученые разработали собственный материал из отечественного сырья, изделия из которого печатаются на 3D-принтере. Работа проводилась на средства гранта главы РБ.

На сегодня новый материал уже прошел полный цикл исследований на выживаемость клеток. Ученые лаборатории клеточных культур БГМУ, которые присоединились к этой работе, проверили шесть тысяч образцов, после чего был подобран тот материал, который прошел на следующий этап исследований.

Проводились и доклинические исследования на экспериментальных животных, во время которых ученые наблюдали, как происходит резорбция, то есть рассасывание импланта, как прорастают в этот участок сосуды.

— Мы пришли к выводу, что такие импланты не должны быть монолитными, — рассказывает Марс Галаутдинов. — Иначе замещаться собственными тканями они будут очень долго — около пяти лет. Поэтому решили изготавливать ажурные структуры. В них быстрее будут прорастать сосуды, а организм будет использовать вещество как строительный материал.

Еще одна сложность в работе состояла в том, чтобы математически просчитать, как будет вести себя материал в организме человека.

— Вот представьте: мы поставили имплант. Человек первое время почти не двигается, потом начинает двигаться все активнее. И пока имплант не заместился костью, нужно, чтобы он продолжал сохранять часть своих структурных функций, — поясняет ученый. — Мы должны еще на этапе создания полностью понимать, как он ведет себя в организме человека, учитывать усадку и скорость растворения. Получается такой «умный» имплант, созданный для конкретного человека.

Импланты можно будет применять для замены крупных костных дефектов, например, частей черепа при его трепанации, участков нижней челюсти, костей ребер при операциях на сердце, конечностей — словом, в тех случаях, когда о самостоятельном восстановлении не может быть и речи.

Но чтобы изобретение ученых Башкирии наконец начало служить человеку, необходимо пройти этап расширенного клинического испытания, доказать, что этот материал подходит для применения. Далее — сертификация и запуск в производство. Марс Галаутдинов предполагает, что это займет еще от двух до пяти лет.

Лабораторная «кухня»

— Плюс аддитивного производства в том, что он не требует огромных площадей, как в случае, скажем, с титановыми имплантами, — продолжает ученый. — Сокращается и время их производства: от получения запроса от клиники до изготовления может пройти от 16 до 25 дней. Столько обычно идет подготовка человека к операции. Еще быстрее мы можем изготовить пластиковую 3D-модель, на которой заранее потренируется хирург.

Впрочем, уже сейчас в лаборатории аддитивных технологий реализуются небольшие рабочие проекты. Вот инженер лаборатории Фанир Кильмухаметов извлекает из специального раствора учебный макет части артерии брюшной полости, который изготовили методом полимерной печати. В растворе он проходил процесс очистки, необходимой из-за токсичности материала. Затем инженер убрал ненужные остатки и довел его до финальной формы. На наших глазах он помещает макет органа в ультрафиолетовую камеру, где под воздействием жесткого излучения тот приобретает необходимые свойства — твердость, жесткость и упругость. На нем будет тренироваться хирург перед сложной операцией.

— Мы участвуем и в научных проектах, — сообщает Фанир Фанисович. — Например, изу­чали форму пуповины младенцев, сканируя образцы и определяя те или иные физиологические особенности. В итоге создали базу данных, которая позволяет с помощью математической модели прогнозировать проблемы в развитии малышей до рождения — нарушение кровообращения, кислородное голодание и некоторые другие. Уже имеются практические результаты и научные публикации по этой теме.

Лаборант Альфред Галяутдинов — еще студент, заканчивает третий курс БГМУ по специальности «Лечебное дело», а после окончания обучения планирует поступить в ординатуру на рентгенологию. В лаборатории аддитивных технологий у него уже появилась возможность работать с исследованиями КТ и МРТ реальных пациентов. В специальной компьютерной программе он сегментирует (вычленяет) из снимков трехмерные модели органов, которые затем будут напечатаны на 3D-принтере.

— Недавно я участвовал в конгрессе урологов с докладом по 3D-моделированию патологии почек, — рассказал молодой человек. — Для этого я использовал исследование почки со злокачественной опухолью, создал ее демонстрационную модель. Мы сделали ее из прозрачного материала и разделили на слайсы — тонкие срезы, соединяющиеся магнитами. Внутренняя структура почки была полностью сохранена. Таким образом ее можно наглядно изучать.

Особый подход

Лаборатория аддитивных технологий существует в БГМУ уже два года, и сегодня в ней работают 14 сотрудников. Чтобы передавать свои навыки начинающим медикам, некоторое время назад Марс Галаутдинов создал кружок по аддитивным технологиям и привлек туда 15-20 студентов. Тех, кто проявил к нему интерес и предлагал собственные идеи, взяли на работу лаборантами.

Ученый пояснил: сегодня в медуниверситете не существует отдельной специальности, по которой можно было бы обу­читься аддитивным технологиям. Однако есть магистратура по биотехнологиям в медицине, куда это направление тоже входит.

— Напрямую врачу и нет необходимости разбираться в аддитивных технологиях на таком же уровне, как инженеру, — считает Марс Галаутдинов. — Однако знание о них расширяет кругозор, дает новый опыт и понимание, как можно было бы применить их, скажем, в хирургии.

Разработка имплантов с помощью 3D-моделирования — перспективное направление исследований во всем мире. Ведь и потребности медицины везде одинаковые.

Однако подход, применяемый в Башкирии, уникален, уверен наш собеседник. Он продиктован принципами, заложенными в клинике «Аллоплант»: для имплантов должен использоваться не чужеродный организму человека материал, который со временем заместится родными тканями.

Своевременность работы лаборатории БГМУ еще и в том, что материалы для имплантов ученые синтезируют сами, обеспечивая технологический суверенитет страны.

Создание «умных» имплантов было поддержано мегагрантом Евразийского НОЦ, а в разработках участвовал Сколтех — научный партнер башкирского вуза, который помогал в механической и материаловедческой части.

В ТЕМУ

Похожая работа по созданию биорастворимых металлических материалов для медицины на основе цинковых сплавов ведется в молодежной лаборатории Евразийского НОЦ «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» в сотрудничестве с Институтом физики перспективных материалов Уфимского университета науки и технологий. Возглавляет ее кандидат технических наук, научный сотрудник Эльвира Хафизова. Разрабатываемый материал планируется использовать для создания стентов и ортопедических пластин.

Часть работ ученые двух вузов проводят совместно. Например, в ближайшее время в БГМУ будут имплантировать стенты, созданные в лаборатории Евразийского НОЦ, подопытным животным.