Прародители современных имплантатов начали появляться в мире сотни, а то и тысячи лет назад. Находки археологов свидетельствуют, что такие изделия создавали из самых разных материалов — панциря морских мидий, бамбука, камня, фарфора, золота. Однако все они были далеки от идеальных — удачно дополняющих человеческий организм.
С развитием персонифицированной медицины имплантаты сегодня можно создавать, как лучшие костюмы — по индивидуальным меркам, в том числе печатая их на 3D-принтерах. Но три измерения — это не предел: ученые уже начали покорять четвертое. Что же такое 4D-печать умных материалов? И как эта технология поможет создавать имплантаты будущего? Читайте в нашем материале.
Материал помнит все
4D-печать — это такой же метод аддитивного производства, как и 3D-печать, рассказала инженер лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС Анна Зимина. Материал печатается послойно на основе цифровой модели. Но, готовый, он приобретает уникальное свойство — эффект памяти формы. То есть он может менять свои характеристики, а иногда и функции, с течением времени — под действием каких-то внешних факторов. Четвертым измерением может становиться время.
Наиболее известный материал с эффектом памяти — это нитинол, сплав никеля и титана. Если из нитиноловой проволоки сделать сложно скрученную деталь и раскалить ее, металл запомнит эту форму. После охлаждения изделие можно деформировать, однако при нагреве выше 40°C оно вернется в запрограммированное положение.
«При деформации, например, при изгибе, внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. Однако особенностью нитинола является то, что в растянутом верхнем слое формируется микроструктура — вытянутые мартенсивные пластины, которые при нагревании проявляют термоупругость. Благодаря ей в металлах возникают внутренние напряжения, которые и стремятся вернуть структуру к исходному состоянию, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые», — объяснила инженер НИТУ МИСИС.
Эти свойства нитинола открыли еще в прошлом веке. Сегодня им нашли применение в медицине — например, при лечении людей с заболеваниями сердечно-сосудистой и опорно-двигательной системы. Но исследователи не останавливаются на этой технологии и разрабатывают новые материалы, которые будут экологичнее, дешевле, а иногда и безопаснее для пациентов — полимеры с эффектом памяти формы.
Как программируют полимеры
Разработка полимеров с эффектом памяти и композиционных материалов на их основе — одно из направлений работы в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС. Недавно ученые представили композит из полилактида и феррита кобальта. Он обладает способностью быстро нагреваться под действием высокочастотного переменного магнитного поля, а лучшие составы восстанавливаются после деформации более чем на 90%.
Как объяснила Анна Зимина, среди полимеров с эффектом памяти формы наиболее часто встречаются именно термоактивируемые — те, которые начинают возвращаться к исходной форме при определенной температуре. Но их можно нагревать и без прямого воздействия, например, с помощью добавления в состав композита магнитных наночастиц.
«Эти наночастицы в ответ на воздействие высокочастотного переменного магнитного поля нагреваются и нагревают окружающую их полимерную матрицу. За счет чего сам материал нагревается и начинает восстанавливать свою форму после деформации. Это упрощает работу с композитом на практике», — добавила эксперт.
Все познается в сравнении
Среди преимуществ полимеров — их стоимость. Как отмечают авторы разработки, имплантаты из таких материалов будут значительно дешевле, чем их аналоги из металла, в том числе из уже упомянутого нитинола. Дело в том, что производство и добыча металлов в принципе — дорогое удовольствие, кроме того, их довольно сложно обрабатывать. И эти проблемы не исчезают даже при аддитивном производстве. Есть у металлов и другие «темные стороны».
«Существует такой фактор, как выход ионов никеля из нитинола, что может оказывать токсическое и канцерогенное воздействие на организм. Другая проблема — металлические проволоки могут повреждать мягкие ткани», — обратила внимание Анна Зимина.
Поэтому полимеры — хорошее решение, которое позволяет создать конструкции, полностью безопасные для организма, в том числе индивидуализированные — под конкретную задачу и для конкретного пациента. Эксперт отметила, что полимеры подойдут для изготовления имплантатов и клипс для фиксации мягких тканей.
Безопасный имплантат для растущего организма
Например, с помощью таких имплантатов профессор Скотт Холлистер и доктор Гленн Грин из университета штата Мичиган лечили младенцев с трахеобронхомаляцией — заболеванием, при котором размягчается хрящевой каркас трахеи, после чего она просто «схлопывается». Ученые накладывали детям шину для дыхательных путей на основе поликапролактона — это тоже биосовместимый полимер, который обладает эффектом памяти формы.
Как отметила Анна Зимина, такая шина помогает трахее правильно сформироваться, а после восстановления органа растворяется, и ребенок может жить без каких-то вспомогательных аппаратов и устройств.
Спасение для братьев наших меньших
Материалы с эффектом памяти формы могут помочь не только людям, но и домашним питомцам. Например, в МИСИС разрабатывают технологию, которая позволит печатать из полимеров с эффектом памяти формы изделия для проведения артодеза у животных. Это операция, при которой врачи обездвиживают пораженный сустав, что позволяет избавить питомца от болевого симптома. Обычно это решение используют, когда терапевтическое лечение не помогает, а заменить сустав путем эндопротезирования просто нет возможности.
По словам Анны Зиминой, сейчас при проведении этой операции животному накладывают металлическую шину на распрямленную лапу и потом изгибают конструкцию под определенным углом. Однако его могут подобрать неверно –тогда не будет обеспечена симметрия опорно-двигательного аппарата, а животное будет хромать и испытывать боль.
«Мы же планируем, что наш материал будет индивидуализировано печататься под конкретное животное — с заранее „запрограммированным“ углом. Перед операцией материал будет распрямляться, а потом — под воздействием температуры примет прежнюю форму, то есть зафиксируется под идеальным для лапы животного углом», — поделилась эксперт.
Пока ученые только начинают работу — общаются с ветеринарами и разрабатывают свою технологию. Исследователи отмечают, что потребность в этой разработке высока.
Роботы мягче, чем мы думаем
Полимеры с эффектом памяти могут изменить не только имплантологию. Сейчас развивается такое направление, как мягкая робототехника. Эксперты этого направления создают роботов из мягких тканей, которые были бы похожи на ткани живых организмов.
«Сейчас роботы — это в основном жесткие конструкции — металлические и пластиковые. Мягкие роботы будут в прямом смысле этого слова мягче. Их потенциал заключается в том, что их можно использовать в разных сферах — в том числе в медицине и на производстве — но они будут безопаснее в работе рядом с людьми», — рассказала инженер лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС.
Подобных роботов можно изготавливать и с помощью полимеров с эффектом памяти формы. В таком случае, по словам эксперта, тот же хватательный механизм у них будет осуществляться не с помощью элементов механики, а за счет того, что полимеры будут переходить из одной формы в другую под воздействием какого-то стимула.
И такие эксперименты уже проводятся. Например, в 2018 году инженеры из Китая и Австралии собрали робота с радиальной симметрией. Его ноги приводит в движение эффект памяти формы — робот попеременно нагревает часть конечностей, что позволяет ему двигаться в заданном направлении.
Снизить градус
Однако использование биополимеров с эффектом памяти в человеческом организме пока не становится массовым. Изобретение новых материалов — и тем более развитие технологии их печати — требует большого количества времени и исследований.
Например, эффект памяти у тех же биополимеров, разработанных в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины НИТУ МИСИС, пока активируется при слишком большой температуре — около 60-65°C. Такой нагрев сильно повреждает ткани организма, поэтому этот градус нужно снизить хотя бы до допустимых 40-42°C.
«Такой коэффициент — 84% — продемонстрировал самый неудачный состав. Составы, которые лучше себя проявляли — быстрее нагревались, быстрее восстанавливали форму — восстанавливались более чем на 90%», — добавила Анна Зимина.
Она отметила, что у любого материала с эффектом памяти процент деформации все равно будет оставаться. То есть достичь 100% восстановления практически нереально с точки зрения физики — на изделии остаются микротрещины и другие микродеформации.
За врачами последнее слово
Однако инженер обратила внимание на то, что в деле разработки новых материалов для медицины будущее новых составов все равно определяют врачи. Именно практики смотрят, насколько с материалом удобно работать.
Другими словами, такие решения должны быть удобны и востребованы на практике: при установке и интраоперационной обработке. Поэтому правильной тенденцией в науке, в частности, в биоинженерии, становится междисциплинарный подход, когда над одной задачей работают специалисты из разных областей — материаловеды, инженеры, биологи и медики.
Полина Казакова
