В современной медицине при тяжелых переломах, сопровождающихся раздроблением и потерей участков кости, используются специальные биосовместмые каркасы (скаффолды), которые помогают восстановить поврежденную ткань. В большинстве существующих в России разработок в этой области используются дорогостоящие зарубежные материалы, рассказали исследователи Сибирского федерального университета (СФУ).
Для решения этой проблемы ученые вуза создали собственный цикл производства биополимера, позволяющего создавать медицинские имплантаты из доступного местного сырья.
Основу имплантата составляют полигидроксиалканоаты (ПГА) — биополимеры, которые производятся специальными бактериями. Уникальность технологии СФУ заключается в возможности использования в качестве питания для бактерий любых органических отходов, содержащих углерод, например, отработанный фритюрный жир и отходы рыбопереработки, требующие от производителей дорогостоящей утилизации.
По словам исследователей, они «вписали» свою разработку в высокотехнологичный процесс биоинженерии. Сначала пациенту делается снимок пострадавшего органа с помощью компьютерной томографии, затем моделируется индивидуальный каркас, подходящий в конкретной ситуации. После этого на 3D-принтере из биополимерной нити (филамента) печатается нужная деталь, которая помещается в место перелома.
«В отличие от большинства компаний, которые закупают готовые филаменты зарубежного производства, мы самостоятельно производим экструзионную нить, что позволяет варьировать ее свойства под различные потребности. Все используемые компоненты (от бактериальных штаммов до оборудования) российского производства», — рассказал ассистент базовой кафедры биотехнологии и кафедры медицинской биологии СФУ Алексей Дудаев.
Такие биополимеры пригодны для создания заживляющих раны пленок, шовных нитей, систем адресной доставки лекарств. Однако новейший научный результат, полученный учеными СФУ в рамках работы с данным материалом, — это биополимерные каркасы с контролируемой микроархитектурой для восстановления костных дефектов. По словам исследователей, в случае выхода данной методики на рынок медицинских услуг, она сможет избавить пациентов с переломами от повторных операций.
«Специальные каркасы (скаффолды) позволяют буквально вырастить утраченный фрагмент кости заново. Наш новый эксперимент показал, что треугольные, квадратные и шестиугольные поры являются одинаково пригодными для быстрого наращивания “костеобразующих” клеток остеобластов», — рассказала младший научный сотрудник лаборатории биотехнологии новых биоматериалов СФУ, ассистент кафедры медицинской биологии СФУ Галина Рыльцева.
В сравнении с существующими аналогами, технология производства ПГА, используемая учеными СФУ, позволяет удешевить производство примерно на 50 процентов, поскольку они используют бесплатные отходы вместо дорогих субстратов. При этом, по их словам, качество получаемого полимера не уступает зарубежным аналогам.
Хотя основное применение разработки — медицинские имплантаты, в перспективе ученые планируют расширить использование биополимеров для производства разлагаемой упаковки и других экологичных изделий.
«Наша цель — создать доступную альтернативу традиционным полимерам, которая не только решает медицинские задачи, но и снижает нагрузку на окружающую среду», — прокомментировал Алексей Дудаев.
Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 23−64−10007), Красноярским краевым фондом науки (грант № 20231107−06132) и выполнено в рамках госзадания министерства науки и высшего образования Российской федерации, проект № FWES-2021−0025.
Достижениям в сфере инженерных наук посвящен проект СФУ «Инженеры нашего времени» по популяризации инженерных специальностей. Проект реализуется при поддержке гранта министерства науки и высшего образования России #№ 075−15−2025−499 в рамках Десятилетия науки и технологии.