Искусственные кости и зубы будут делать персонально
Ученые ФИЦ «Казанский научный центр РАН» совместно с коллегами из КФУ и Института металлургии и материаловедения имени Байкова РАН из Москвы создают аналог костной ткани. Из материала можно будет изготавливать импланты для частичной или полной замены поврежденного участка кости.
Идея в том, что каждый человек индивидуален, поэтому для пациентов важно подбирать уникальные по составу импланты. Комплексный анализ поможет создавать индивидуально биосовместимые материалы с заданными механическими свойствами, такими, как прочность и жесткость. Такие импланты могут обладать и антибактериальной активностью.
Гидроксиапатиты (основной минеральный компонент кости, из него разрабатывают новый материал — прим. Ред.) присутствуют не только в костях. Это и зубная эмаль, то есть это также может быть очень востребовано в бьюти-индустрии. Когда-нибудь мы, наверное, научимся делать искусственный зуб, который будет и красив, и долговечен, и проченкандидат биологических наук, старший научный сотрудник Казанского института биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН Ольга Макшакова
Неорганический состав зубов и костей человека индивидуален, поэтому с точки зрения персонализированной медицины нужны не общие, а нацеленные на отдельного пациента исследования, добавили ученые.
Мировое открытие и неожиданный разворот из триллера
В 1944 году в Казанском университете открыли такое физическое явление, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Теперь метод ЭПР широко используется для исследования самых разных веществ в науке, технике и здравоохранении. Казанская научная школа ЭПР — одна из сильнейших в России наряду с новосибирской.
В Казани и Новосибирске школы, которые сохраняют и развивают свои традиции, знания, умения, навыки. Все, что связано с применением методов магнитного резонанса для изучения разнообразных материалов и биологических объектов, так или иначе проходит через нас доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной деятельности Института физики КФУ Марат Гафуров
Изначально казанские ученые совместно с медиками из МКДЦ и КГМУ начали изучать атеросклеротические отложения на стенках кровеносных сосудов, чтобы глубже понять, почему возникают бляшки и как с ними бороться. Известно, что гидроксиапатит — это минеральная составляющая бляшек. Для изучения таких сложных систем необходимо было исследовать каждую составляющую по отдельности. Тогда ученые обратились в Москву, в МГУ и Институт металлургии и материаловедения имени Байкова РАН, где давно и успешно занимаются синтезом различных апатитов.
Постепенно выяснилось, что апатиты применимы в качестве катализаторов, а также для очистки сточных вод и нефти от примесей. В этот момент произошел поворот от биомедицины к такому разделу науки, как материаловедение.
Невозможно создавать новые материалы и предсказывать их свойства без теоретических расчетов. Отсюда мы вышли на наш Казанский институт биохимии и биофизики, чтоб рассчитать, как примеси влияют на свойства апатитов и что происходит, если вдруг один из элементов большой структуры заменить на что-то другое доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной деятельности Института физики КФУ Марат Гафуров
В прошлом году ученые получили грант, по которому изначально планировали создать вещества для очистки нефти от серы. И тут, как в хорошем триллере, произошел очередной разворот — от материаловедения снова к биомедицине.
«Побочные эффекты от внедрения различных примесей в структуру апатита, как оказалось, могут положительно влиять на биологические свойства материала, позволяя создавать хорошие импланты», — поделился Гафуров.
От московского синтеза до казанских суперкомпьютеров
Первый этап исследований проходит в Москве, где ученые создают синтетический гидроксиапатит и внедряют в его кристаллическую решетку ионы металлов, которые изменяют свойства материала. Условия синтеза, точное количество примесей, способы внедрения металлов — все это требует наличия специального оборудования и знаний, дается с опытом и временем.
Затем синтезированные образцы отправляют по почте в Казань для дальнейшего анализа. Среди прочего казанские ученые объясняют взаимосвязь структуры и функций и определяют, как и почему концентрация разных примесей влияет на особенности материала.
Также исследователи в Казани занимаются компьютерным материаловедением, то есть исследуют свойства веществ на атомном уровне. Они работают не на обычных ПК, а на суперкомпьютерных кластерах. «Одновременно порядка сотни узлов, сотни процессоров, может быть включено в процесс расчетов. Вычисления позволяют решать сложные задачи за разумное время, что невозможно сделать на ПК. Есть такие суперкомпьютеры и в Казани, но в принципе у нас есть доступ и к другим кластерам практически по всему миру», — поделилась Макшакова.
Мы, материаловеды, физики, находимся на фундаментальном уровне исследований. Мы выясняем, что улучшает, а что ухудшает те или иные свойства материала. Следующая наша задача — опубликовать результаты наших открытий, сделать их доступными для использования специалистами различных профессий. Чтобы дойти до клиники, надо пройти еще долгий путьдоктор физико-математических наук, заместитель директора по научной деятельности Института физики КФУ Марат Гафуров
Не только имплант, но и «курьер» лекарств и микроэлементов
Доставка лекарств в организме человека — это еще одна широкая сфера для применения разрабатываемого материала. Есть как минимум два варианта использования гидроксиапатитов.
С одной стороны, материал можно использовать в качестве аналога кости и на его основе исследовать разные системы доставки. С другой стороны — это элемент, который сам сможет доставлять необходимые вещества для борьбы с костными заболеваниями и дефектами.
Можно создать гидроксиапатит, насыщенный какими-то элементами, например, магнием или фтором. Эти наноразмерные частички будут доставлять и высвобождать микроэлемент, который будет усваиваться костями. Или можно создать композит, в который будут включены клетки, которые, в свою очередь будут способствовать ускорению регенерации поврежденной соединительной ткани, куда они системы будут доставлятьсякандидат биологических наук, старший научный сотрудник Казанского института биохимии и биофизики ФИЦ КазНЦ РАН Ольга Макшакова
Лекарства можно будет доставлять с помощью уколов или раневых покрытий (альтернатива бинта, пропитанная лекарственным веществом — прим. Ред.), в зависимости от типа доставляющей системы и места-цели.
