Томские ученые создали имплантат, ускоряющий восстановление костей
Ученые Томского политеха вместе с российскими и иностранными коллегами создали 3D-биоэлектрический имплантат, который помогает восстанавливать сложные дефекты костей, способствуя образованию костной ткани за счет роста вокруг нее нервных волокон и кровеносных сосудов.
Как уточняют в пресс-службе вуза, материал имплантата представляет собой пористый 3D-скэффолд. Его напечатали на 3D-принтере из биосовместимого гидрогеля, который состоит из желатин-метакрилата и встроенных в него магнитоэлектрический наночастиц. Сам имплантат может дистанционно за счет слабого магнитного поля генерировать электрические сигналы прямо в зоне дефекта кости.
— Наночастицы имеют тип «ядро-оболочка»: в центре частицы находится магнитострикционное ядро из феррита марганца (MnFe2O4), снаружи оно покрыто пьезоэлектрической оболочкой из перовскита модифицированного титаната бария Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT). При действии магнитного поля ядро слегка деформируется, а оболочка превращает эту механическую деформацию в электрический сигнал. Именно он и запускает клеточные процессы, — говорит руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем. — То есть наши имплантаты одновременно выступают в роли временной опоры для клеток и активной биоэлектрической платформы, которая активирует нервные клетки, усиливает межклеточное взаимодействие, поддерживает образование сосудов и направляет клетки для формирования костной ткани.
Систематическое in vitro исследование показало, что 3D-печатные магнитоэлектрические скэффолды под воздействием слабого переменного магнитного поля способствуют остеогенной дифференцировке стволовых клеток костного мозга и созреванию нейрональных шванновских клеток. Магнитоэлектрическая стимуляция значительно повышает внутриклеточную концентрацию Ca2+ (в 1,83 раза) и уровень TGF-β (в 1,54 раза), активируя сигнальные пути PI3K-AKT и BMP, а также повышает экспрессию нейротрофических факторов (GDNF, BDNF, NGF) для стимуляции нейрогенеза.
In vivo исследования разработанных 3D-имплантатов на дефектах бедренной кости у мышей показали через две недели признаки раннего роста нервных клеток и запуск развития костных тканей, а через восемь недель — выраженное восстановление костной ткани и «прорастание» нервов и сосудов. Наличие магнитоэлектрической стимуляции позволило ускорить формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а костной ткани в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.
— Главным преимуществом нового подхода к регенерации тканей является совмещение технологий 3D-печати и использование беспроводной электрической стимуляции в одной платформе, воспроизводящей внеклеточный матрикс поврежденных тканей человека и состоящей из биорезорбируемого полимерного материала на основе желатина и биосовместимых магнитоэлектрических наночастиц. В перспективе подобные 3D-платформы можно использовать для восстановления не только костей, но и других сложных тканей, где важно управлять сразу несколькими процессами — ростом клеток, сосудов, нервов и межклеточным обменом, — добавляет директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Сурменев.
В исследовании приняли участие ученые Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Шанхайского института керамики (Китай), Университета Китайской академии наук (Китай), ТГУ, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, МИСиС и Университета Авейру (Португалия).
Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».