Российские ученые создали биоматериалы для выращивания новых зубов
В Нижегородском государственном университете (ННГУ) имени Н. И. Лобачевского с помощью природоподобных технологий получают материалы, аналогичные по химическому составу и структуре костной ткани человека, изготавливают восстанавливающие пасты для зубов, а также биополимерные пленки, способные лечить ожоги, кожные заболевания и даже рак.
Химики, физики, биологи и медики вместе разрабатывают материалы, максимально соответствующие природным, не отторгаемые организмом.
При сложных переломах, костных инфекциях и опухолях нередко требуется восстановить утраченную костную ткань. Для этого используют кость самого пациента либо донора. Взятие костного материала — сложная и рискованная операция, причем без гарантии, что трансплантат приживется. Поэтому мечта медиков — универсальный синтетический материал, близкий к человеческой кости, из которого можно методом отливки, обтачивания или 3D-печати изготавливать биосовместимые имплантаты.
С точки зрения химии, костная ткань — это органо-неорганический композитный материал. Основные компоненты: гидроксиапатит (гидроксифосфат кальция), образующий минеральный каркас, и коллагеновые волокна, обеспечивающие упругость и проницаемость. У взрослого человека на гидроксиапатит приходится 60-70% веса костей. Остальные 30-40 — органическое вещество, главным образом коллаген типа I — фибриллярный белок соединительной ткани, отвечающий за рост и пролиферацию клеток.
В ННГУ поставили перед собой задачу воспроизвести такой композитный материал в лаборатории. Сначала решили проблему синтеза гидроксиапатита. Для этого собрали специальную реакторную установку, в которую подают исходные вещества — нитрат кальция и фосфорную кислоту. Главная сложность заключалась в том, чтобы точно выдержать параметры синтеза гидроксиапатита, прежде всего кислотность и температуру. Даже небольшие отклонения приводят к появлению совсем других соединений.
На следующем этапе экспериментально установили, при каких условиях совместно осаждаются минеральная и органическая части. В качестве сырья для волокон взяли полисахариды и рыбный коллаген из отходов перерабатывающей промышленности.
Рыбный коллаген лучше, чем бычий, который обычно применяют в таких случаях. Гипоаллергенный, с трансдермальными свойствами — проникает через кожу и быстрее попадает в кровоток. На 96% идентичен человеческому белку. Тоже коллаген типа I. В нем много аминокислот — глицина и пролина, необходимых для синтеза элементов ДНК и РНК.
Это вещество получают в виде геля, который после высыхания превращается в порошок. Конечный продукт представляет собой пористый композитный материал типа твердой губки, похожий на натуральную кость. Из него можно создавать каркасы (скаффолды) имплантатов, куда будет прорастать соединительная ткань и поступать кровь. Коллаген обеспечит биосовместимость.
Для усиления биоактивности в матрицу гидроксиапатита и коллагеновых волокон ученые предлагают добавлять вещества, способствующие заживлению костной ткани, противоопухолевые и другие терапевтические препараты.
Новый материал пригодится и в стоматологии — для реставрации, лечения кариеса и восполнения крупных дефектов зубной ткани, которая тоже состоит из гидроксиапатита и коллагена.
Его можно использовать в челюстно-лицевой хирургии. Например, сейчас практически нет решений для восстановления тканей челюсти. Если из новго материала сделать каркас определенной формы, на нем образуется соединительная ткань и он врастет в кость, а затем рассосется, поставляя параллельно ионы кальция, фосфора и коллаген.
Гидроксиапатит применяется в зубных пастах для укрепления зубной эмали. Но мечта ученых — полностью “химический” зуб. Пока каркас покрывается тканью, а материал стимулирует реминерализацию, зуб словно вырастает заново.
На химфаке ННГУ занимаются также полимерными дермальными пленками для регенерации кожи и доставки лекарств в кровоток.
Кожа — это защитный панцирь. Там, где кожный покров нарушен, ничто не мешает микробам и вирусам проникать в организм. Еще есть проблема заражения крови. Пленка защитит от этого, пока не затянется рана.
В отличие от пластыря, полимерная пленка пропускает воздух, необходимый для регенерации кожи. Кроме того, в нее можно добавить антибиотики, заживляющие препараты, гормоны, ускоряющие восстановление тканей.
Антибиотики подавляют биологическую активность, а гормоны — наоборот. Но при правильном сочетании это эффективно. Противоожоговые повязки с таким сложным составом — российское ноу-хау. Ученые уже испытали их, и результаты очень хорошие. У любых кожных трансплантатов есть риск отторжения, а тут просто создаются организму условия для самовосстановления. И при этом организм защищен от инфекций.
Дермальные пленки делают на полимерной основе — синтетической, полусинтетической или только из природных веществ. Последний вариант наиболее привлекательный. Естественные материалы биосовместимы и биоразлагаемы, их, в том числе, можно использовать во внутренних операциях для замещения тканей.
Последняя разработка ННГУ, совместная с коллегами из Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева, — пленки на основе биоцеллюлозы. Это природный полисахарид из клеточных оболочек растений. Абсолютно безопасен для человека. К тому же в России налажено собственное производство биоцеллюлозы, и это тот случай, когда импортные технологии не нужны.
Пленки очень удобны, с прекрасной адгезией — любой человек справится с ними и без врача. Единственное ограничение — нельзя долго держать на воздухе, так как они быстро высыхают и теряют свои свойства. Впрочем, при герметичной упаковке это не проблема. Биополимерное покрытие на кожу можно также наносить в виде аэрозоля или геля.
Важнейшее качество биополимерной пленки — способность к самоорганизации и структурированию, в результате чего она приобретает качества природных мембран. Как и в человеческой коже, гидрофильные слои в ней чередуются с гидрофобными, а внутренние транспортные каналы обеспечивают хорошую проницаемость.
Благодаря этому “искусственную кожу” можно использовать для неинвазивной доставки в кровоток препаратов системного действия при таких сложных болезнях, как псориаз, ревматоидный артрит, различные нейродермиты. Особенно это актуально в случае онкологических заболеваний, когда нужно по возможности снизить дозу вещества.
Противоопухолевые препараты — сильно токсичные. Надо сделать так, чтобы они достигали системного кровотока через кожу, не отравляя весь организм. Тогда биополимерная пленка действует как инъекция.
Например, 5-фторурацил, давно применяемый в химиотерапии. Внутривенные инъекции очень тяжелы для пациентов, возникает множество побочных эффектов в пищеварительной, кровеносной, сердечно-сосудистой, репродуктивной, центральной нервной системах организма.
Эксперименты показали, что, если вместо капельницы применять полимерные пленки, дозу удается снизить вдвое. При этом повышается точность доставки препарата к опухоли благодаря введению наноэнзимов из оксидов церия и цинка, выполняющих роль вектора.
В классическом понимании энзимы — это белки, ферменты, ускоряющие метаболизм. Два десятилетия назад ученые установили, что на это способны и неорганические наночастицы оксидов некоторых металлов.
Наноэнзимы — это биомиметики, они имитируют действие природных ферментов, таких как супероксид дисмутазы, фосфотаза, каталаза. Они точно так же выступают катализаторами биологических реакций, участвуют в антиоксидантной защите организма, перехватывая различные радикальные супертоксичные частицы, усиливают восстановительные возможности. При этом никаких побочных эффектов, характерных для ферментов из животного сырья. В медицине у них большое будущее.
Исследователи ННГУ впервые продемонстрировали синергию от включения наночастиц оксидов металлов с конкретными противораковыми препаратами в полимерные пленки, доставляющие вещества в системный кровоток.
Исследователи научились модифицировать наночастицы оксидов церия и цинка, сажая на них противоопухолевые вещества. Наноэнзимы сами по себе обладают антибактериальными и противоопухолевыми свойствами, а их комбинация с тем же 5-фторурацилом — это абсолютно оригинальная идея.
Синтезировать наноэнзимы значительно проще и дешевле, чем натуральные белки. Получить наночастицы оксидов металлов и сорбировать на них лекарственное вещество можно даже в лабораторных условиях. Тут не требуется каких-то сложных технологий, весь процесс легко контролируется и поддается стандартизации.
Источник: ria.ru
