Томские ученые создали 3D-имплантат, ускоряющий восстановление костей почти в пять раз
Ученые ТПУ совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали 3D-биоэлектрический имплантат для восстановления сложных дефектов костной ткани, сообщили в пресс-службе университета. Благодаря воздействию внешнего магнитного поля материал самостоятельно генерирует слабые электрические сигналы, имитирующие естественные сигналы живой кости.
Как поясняют исследователи, для полноценного восстановления кости после травмы или операции необходимо не только образование новой костной ткани, но и развитие нервной и сосудистой сетей. Одним из наиболее перспективных способов ускорить этот процесс считается электрическая стимуляция.
Однако существующие методы обычно требуют использования проводов, электродов или других внешних источников питания, что делает лечение более инвазивным и увеличивает риск осложнений.
Разработанный учеными имплантат позволяет отказаться от такой схемы. Он представляет собой пористый 3D-скэффолд, напечатанный на 3D-принтере из биосовместимого гидрогеля с магнитоэлектрическими наночастицами.
Под действием слабого магнитного поля наночастицы начинают вырабатывать электрические сигналы непосредственно в месте повреждения кости.
«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», — рассказал руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.
Лабораторные исследования показали, что под воздействием магнитного поля имплантат способствует превращению стволовых клеток костного мозга в костную ткань, а также стимулирует развитие нервных клеток.
Испытания in vivo на мышах с дефектами бедренной кости подтвердили эффективность технологии. Уже через две недели ученые зафиксировали первые признаки роста нервных клеток и начала формирования новой костной ткани.
Через восемь недель наблюдалось выраженное восстановление кости, а также активное образование нервов и кровеносных сосудов.
По данным исследователей, использование магнитоэлектрической стимуляции позволило ускорить формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а новой костной ткани — в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.
По словам директора Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Романа Сурменева, ключевым преимуществом разработки стало объединение технологий 3D-печати и беспроводной электрической стимуляции в единой биосовместимой платформе.
В перспективе подобные имплантаты могут использоваться не только для восстановления костной ткани, но и для регенерации других сложных тканей организма, где необходимо одновременно стимулировать рост клеток, нервов и сосудов.
В исследовании участвовали ученые Томского политехнического университета, Томского государственного университета, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН, НИТУ МИСиС, Шанхайского института керамики, Университета Китайской академии наук и Университета Авейру (Португалия).