«Умный» имплантат восстановит кость за счет роста нервов и сосудов

Ученые Томского политехнического университета в составе международной коллаборации разработали 3D-биоэлектрический имплантат, который помогает восстанавливать сложные дефекты костей. Благодаря действию внешнего магнитного поля материал сам создает слабые электрические сигналы, похожие на естественные сигналы живой костной ткани.

Результаты in vivo исследований показали, что такой имплантат ускорил образование костной ткани за счет роста вокруг нее нервных волокон и кровеносных сосудов, сообщили в пресс-службе вуза.

Для полноценного восстановления кости после травмы или операции необходимо, чтобы в зоне дефекта появлялась не только новая костная ткань, но и нервная и сосудистая сеть. Без них регенерация идет медленнее и хуже. Одним из перспективных подходов к эффективной регенерации считают электрическую стимуляцию. Она имитирует биоэлектрические свойства самой кости: в естественных условиях они достигаются за счет механической нагрузки, при которой возникают слабые электрические сигналы — они помогают клеткам «понимать», где и как нужно восстанавливать ткань. Однако традиционные подходы к электрической стимуляции требуют внешних источников питания (проводов и электродов). Это делает метод инвазивным и повышает риск осложнений.

Ученые Томского политеха совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали имплантат, который может дистанционно за счет слабого магнитного поля генерировать электрические сигналы прямо в зоне дефекта кости. 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.

«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. 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», — рассказал руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.

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», — отметил 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).

Исследование поддержано грантом Российского научного фонд). Результаты работы ученых опубликованы в журнале ACS NANO (Q1, IF:17,3).