Вдохновившись естественным процессом заживления костей, исследователи разработали гидрогель с лазерной структурой, который однажды может заменить обычные костные имплантаты.

Переломы костей, полученные в результате несчастного случая (например, при катании на лыжах), часто срастаются без медицинского вмешательства. Однако при особо тяжелых переломах или при необходимости хирургического удаления опухоли кости врачи могут установить имплантат, чтобы стабилизировать область перелома и помочь кости срастись.

Такие имплантаты обычно изготавливают из собственной кости пациента, так называемых аутотрансплантатов, а также из металла или керамики. Одним из основных недостатков многих современных методов лечения является то, что для получения аутотрансплантатов требуется вторая хирургическая операция. Металлические имплантаты также имеют свои недостатки. Поскольку они, как правило, намного жестче натуральной кости, со временем они могут расшатываться, что снижает их долгосрочную стабильность.

С точки зрения биологии

Кость — это не просто твердая безжизненная структура. Это живой орган, пронизанный сложной системой крошечных каналов и полостей.

«Для правильного заживления крайне важно, чтобы в процесс восстановления была вовлечена биология», — говорит Сяо-Хуа Цинь, профессор кафедры инженерии биоматериалов в Швейцарской высшей технической школе Цюриха. Чтобы заживление прошло успешно, различные типы клеток должны сначала проникнуть в имплантат и закрепиться там, прежде чем сформируется новая костная ткань.

Учитывая это, Цинь и его команда совместно с профессором ETH Ральфом Мюллером разработали новый тип гидрогеля, предназначенный для использования в качестве имплантатов в будущем. Материал имеет мягкую, желеобразную консистенцию и медленно растворяется в организме. В перспективе его можно будет адаптировать под нужды отдельных пациентов. Исследование, посвященное этому открытию, было недавно опубликовано в журнале Advanced Materials.

Заживление начинается с мягкого материала

По мнению исследователей, восстановление костной ткани естественным образом начинается с формирования мягкого каркаса. Вскоре после перелома в месте травмы образуется гематома, или синяк. Эта проницаемая структура позволяет иммунным и восстанавливающим клеткам мигрировать в поврежденный участок, а также обеспечивает приток питательных веществ. Сеть фибрина скрепляет эти клетки. Со временем этот гибкий каркас постепенно заменяется твердой минерализованной костью.

Недавно разработанный гидрогель призван имитировать этот ранний этап заживления. Он на 97 % состоит из воды и на 3 % — из биосовместимого полимера. Чтобы превратить его из жидкого в твердое, команда ученых добавила две специальные молекулы. Одна соединяет полимерные цепочки, а другая активирует процесс соединения под воздействием света.

Ванван Цю, бывшая аспирантка Цинь и Мюллера, создала связующую молекулу специально для этой цели. «Она позволяет быстро структурировать гидрогели в субмикрометровом диапазоне», — говорит она. Когда на материал воздействуют лазерные импульсы определенной длины волны, полимерные цепочки мгновенно связываются в открытых участках. Освещенные участки сразу затвердевают, а оставшийся материал можно впоследствии смыть.

Jelly можно установить с рекордной для мира скоростью

С помощью сфокусированного лазерного луча исследователи могут придать гидрогелю практически любую желаемую форму с исключительной точностью. Самые маленькие элементы, которые они могут создать, имеют размер всего 500 нанометров.

«Гидрогели похожи на желе, поэтому им сложно придать нужную форму, — говорит профессор Цинь из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. — Благодаря нашей новой связующей молекуле мы можем не только придать гидрогелю стабильную и очень тонкую структуру, но и производить его с высокой скоростью — до 400 миллиметров в секунду. Это новый мировой рекорд».

Такое сочетание скорости и точности позволяет команде создавать сложные внутренние структуры, которые практически неотличимы от настоящей кости.

Структуры в нанометровом диапазоне

В ходе исследования ученые создали сложные структурированные гидрогели, напоминающие настоящую кость и состоящие из тонкой сети костных трабекул. В качестве шаблона они использовали медицинскую визуализацию.

Даже здоровая натуральная кость пронизана тонкой сетью каналов толщиной всего в нанометр, заполненных жидкостью. «В кусочке кости размером с игральную кость содержится 74 километра туннелей», — говорит Цинь. Для сравнения: длина самого длинного железнодорожного туннеля в мире, Готардского базисного туннеля, составляет 54 километра.

Материал биосовместим

На сегодняшний день материал был протестирован только в лабораторных условиях. В ходе экспериментов in vitro костеобразующие клетки быстро оседали на структурированном гидрогеле и начинали вырабатывать коллаген — важнейший строительный материал костной ткани. Тесты также показали, что материал биосовместим и не вредит этим клеткам. Команда запатентовала материал и намерена сделать его доступным для медицинской промышленности.

В конечном счете Цинь надеется, что имплантат на основе гидрогеля будет использоваться в клинической практике для лечения травм костей. Однако необходимы дополнительные исследования. Он готовится к проведению экспериментов на животных в сотрудничестве с научно-исследовательским институтом АО в Давосе. В ходе этих исследований будет выяснено, способствует ли материал миграции костеобразующих клеток в живых организмах и может ли он со временем восстанавливать прочность костей.