Фото: Crevis/FOTODOM/Shutterstock
Спрос на зубные импланты в России стремительно растет: за последние 4 года продажи увеличились на 81%. Однако для успешной установки зачастую требуется предварительно нарастить костную ткань. Только в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ежегодно проводится более 60 тысяч таких операций. Еще сотни тысяч хирургических вмешательств по восстановлению кости требуются после сложных переломов, травм, удаления опухолей.
Ученые Пермского Политеха поучаствовали в создании совместно с Балтийским федеральным университетом материала, который имитирует структуру живой кости, безопасно интегрируется с тканями пациента и запускает естественный процесс восстановления, становясь прочной основой для роста тканей.
До сих пор самый надежный способ нарастить кость — это пересадить собственные ткани пациента, например, взятые из кости таза, ребер, части челюсти. Однако это ведет к новой, часто очень болезненной операционной ране и увеличивает риск осложнений.
Тогда врачи обращаются к искусственным заменителям. Однако они производятся из синтетических материалов или костной ткани другого организма. Иммунная система не всегда способна принять эти чужеродные материалы, что может приводить к воспалению в тканях и повышать риск отторжения и развития опухолевых заболеваний.
В качестве безопасной и естественной для организма альтернативы можно использовать коллаген — это основной строительный белок организма, из которого состоят кожа, кости, хрящи и связки. По своей химической природе этот компонент идеально подходит для медицинских целей: организм хорошо воспринимает его, он постепенно рассасывается, уступая место новой ткани пациента.
Однако коллагену не хватает прочности. В чистом виде он не сможет заменить твердые ткани — кость или зубную эмаль. Для этого необходимо ввести гидроксиапатит — минерал, составляющий основу натуральной кости.
Соединить «мягкий» органический белок с «твердым» минералом в единый прочный материал — важная технологическая задача. Обычные методы химического «сшивания» разрушают нежную структуру коллагена, лишая его биологической активности, или используют токсичные вещества, которые остаются в материале и вредят клеткам.
В качестве основы для биоматериала традиционно используют коллаген из тканей крупного рогатого скота или свиней. Несмотря на доступность, он часто вызывает аллергические реакции и несет риск передачи инфекций, а также может быть неприемлем для пациентов определенных культур и религиозных традиций.
Ученые предложили использовать универсальную и этически нейтральную альтернативу — морской коллаген из биомассы медуз или кожи судака. Он гипоаллергенен и полностью безопасен, это превращает доступные отходы рыбной промышленности в ценное сырье, что делает подход более безопасным, этичным и экономически выгодным. Сейчас его уже используют, например, в косметологии, но для производства заменителей костной ткани в России не применяют.
После выделения коллагена его смешивали с водой до состояния геля и приступили к его соединению с костным минералом — гидроксиапатитом. Экспериментальным путем подобрали идеальное соотношение компонентов: 1 грамм белка на 0.25 грамма этого соединения. Именно такая пропорция сохраняет эластичность материала, не жертвуя прочностью.
Чтобы найти оптимальный способ создания материалов для восстановления костной ткани, ученые сравнили два принципиально разных метода сшивания коллагена с гидроксипатитом: соединение с помощью глутарового альдегида (GA), часто используемого для подобных целей, и современную биосовместимую систему EDC/NHS.
Для объективного сравнения двух методов соединения ученые проанализировали микроструктуру получившихся материалов, целостность коллагена и биологическую устойчивость к разрушению в организме.
Чтобы проверить, как сшивание повлияло на структуру коллагена, исследователи применили инфракрасную спектроскопию — метод, выявляющий химические связи в веществе по тому, как оно поглощает свет. Обнаружили, что с помощью сшивания EDC/NHS, можно сохранить природную структуру коллагена, благодаря чему организм воспримет имплант как «свой» и позволит ему безопасно интегрироваться с тканями.
Ученые исследовали материалы под электронным микроскопом, чтобы увидеть распределение частиц гидроксиапатита — минеральной основы костной ткани.
«Новый метод EDC/NHS формирует структуру с равномерно распределенными частицами средним размером 8 микрометров, что вдвое меньше, чем при использовании глутарового альдегида (15 микрометров). Такая структура с мелкими, равномерно распределенными частицами точнее повторяет архитектуру натуральной кости и создает оптимальные условия для интеграции импланта с живыми тканями», — отмечает Юлия Куликова, старший научный сотрудник НОЦ «Промышленные биотехнологии» БФУ им. И. Канта.