Инженерия подвижности: из чего создают современные эндопротезы

Полимолочная кислота, железные сплавы, гидрогели — какие материалы только не тестируют ученые, чтобы получить максимально эффективные современные имплантаты. Причем по свойствам такие изделия могут оказаться куда прочнее и долговечнее натуральных органов.

Одной из разработок занимаются в Федеральном исследовательском центре химической физики им. Н. Н. Семенова РАН. Специалистам удалось создать новые композитные материалы для изготовления хрящевых имплантатов.

В чем их особенности и с какими трудностями сталкиваются инженеры, разбираемся вместе с младшим научным сотрудником центра, кандидатом химических наук Александром Заболотновым.

 — Как создают импланты для суставов? Из чего их обычно делают?

 — Практически все такие эндопротезы состоят из трех частей. Это два металлических компонента (например, если мы говорим о тазобедренном суставе, то один крепится к тазовым костям, другой — к бедренной кости). И полимерный вкладыш между ними — его используют как хрящ. Как раз его мы и разрабатываем.

Эти устройства позволяют конечностям сгибаться и разгибаться. Они должны полностью повторять амплитуду движений натуральных костей. Долгое время в медицине пытались подобрать подходящие для этого материалы. Изначально брали обычную нержавеющую сталь. Но ситуация в мировой науке изменилась. Сегодня практически во всех эндопротезах используются сплавы из кобальта, хрома и молибдена, так как они работают лучше, чем сталь.

 — В чем особенность производства искусственного хряща для таких суставов?

 — Искусственный хрящ создается на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Условно, это почти тот же полиэтилен, который мы с вами знаем. Но в отличие от пакетного, у нашего материала молекулярная масса в десятки раз выше. Благодаря этому он обладает недостижимыми для обычных полиэтиленов свойствами. В частности, износостойкостью.

Но проблема в том, что даже такой материал зачастую изнашивается за 10-15 лет, в зависимости от веса и физической активности пациента. Средний возраст пациентов, которым необходимо заменить сустав, составляет 55 лет. А это чревато послеоперационными осложнениями и долгой реабилитацией.

Поэтому, чтобы улучшить свойства материала, мы вводим в него армирующие наполнители. Например, нанотрубки, графитовые или графеновые нанолисты, белая сажа, смектитовая глина.

Внешне итоговый материал выглядит как порошок — его мы получаем сразу в реакторе. Его высушивают, отмывают от растворителей и катализаторов. Затем перерабатывают в полуфабрикат или сразу в готовое изделие, придают нужную форму с помощью высокой температуры и повышенного давления (около 160 градусов по Цельсию и 100 кг/см2).

Такое изделие — биологически инертное, то есть, организм его не отторгает. Поскольку этот компонент не ломает ДНК и мембраны клеток, и вообще не участвует ни в каких биологических реакциях, иммунная система его принимает.

 — Насколько он отличается по механическим свойствам от настоящей соединительной ткани?

 — Конечно, полимер далеко не обладает такими свойствами как натуральный хрящ. Он не смазывается и гораздо жестче. Однако он и работает в гораздо более жестких условиях, будучи зажатым между металлическими элементами.

В принципе, у человека родной сустав тоже изнашивается. Натуральный хрящ — это такая желеобразная губчатая структура. Когда кость «ходит» по хрящу, она не соприкасается с ним напрямую. Между ними есть тонкая прослойка синовиальной жидкости, которая служит своего рода гидроклином. Если сустав повреждается, прослойка становится тоньше, и в итоге кость или хрящ быстрее изнашиваются. Если запустить такую травму, то, конечно, потребуется заменить натуральный сустав на искусственный.

 — Как выглядит процесс производства изделия?

 — Если упрощенно, то технология выглядит так. Мы берем армирующие наполнители, наносим на них компоненты металлорганических катализаторов — веществ, ускоряющих реакцию. Затем помещаем изделия в реактор и подаем туда газообразный мономер.

В реакторе вещество перемешивают, повышают давление и температуру — происходит процесс полимеризации. Поскольку катализатор находится на каждой частичке наполнителя, каждая из них равномерно со всех сторон покрывается слоем синтезированного полимера.

На самом деле, это довольно традиционная технология. Уникальность процесса кроется в правильном выборе катализатора и его носителя.

 — На каком этапе сейчас находится проект? Уже тестировали материалы?

 — Мы исследовали физико-механические свойства — проверяли на удары и изгибы, определяли коэффициент трения и взаимодействие со сталью, изучали токсичность. Однако до клинических испытаний с человеком пока не дошли.

Но разработка уже успешно прошла испытания на бактериях и животных. В последнем случае мы подсаживали образцы в крыс. Эксперименты проходили в течение месяца и показали, что образцы никак не повлияли на жизненные процессы и никакого вреда животным не нанесли. Эту работу мы провели в Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова в Москве.

В будущем планируем провести испытания по международным стандартам и уже после этого сможем предложить нашу отечественную продукцию на замену иностранной.

 — Получается, что в России пока используются импортные изделия? Много ли аналогов у этой разработки?

 — Такой полиэтилен в виде медицинского порошка производит всего одна компания, базирующаяся в США. Компаний, которые закупают и перерабатывают порошок в готовые изделия, около 15 в мире.

Однако мы занимаемся производством полного цикла — от создания порошка до готовой детали. В России пока нет аналогов, а также предприятий, которые бы перерабатывали импортный порошок в необходимые медицинские полуфабрикаты. Наша компания — первая.

 — Что мешает масштабировать продукт?

 — Основная проблема — нехватка доступной сырьевой базы. Дело в том, что такие полимеры получают из мономера этилена. Этот мономер производят в России всего несколько нефтяных компаний. С недавнего времени покупать его даже в самых малых количествах для такого предприятия, как наше, стало достаточно трудно.

Поэтому мы создаем изделия в небольших количествах. В целом, недоступность сырья для маленьких компаний, научных стартапов, которые в том числе занимаются разработками в сфере импортозамещения — главная проблема сейчас. Надеюсь, в ближайшем будущем ее удастся решить.

Беседовала Анна Шиховец