«Умный» имплантат для восстановления кости за счет роста нервов и сосудов

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№25-73-10231). Результаты работы ученых опубликованы в журнале ACS NANO (Q1, IF:17,3).

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 Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃ (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», — говорит 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», — добавляет 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).

Источник: Пресс –служба ТПУ