Мы продолжаем рассказывать о буднях ученых Томского политехнического университета. На этот раз мы пришли в лабораторию гибридных биоматериалов. Ее сотрудники создают имплантаты, которые через определенное время полностью растворяются в организме.
С помощью гибридных имплантатов на основе биорезорбируемых полимеров врачи смогут оперировать тяжелейшие травмы лица и головы, восстанавливать костную ткань. Возглавляет коллектив исследователей доцент кафедры экспериментальной физики ТПУ Сергей Иванович Твердохлебов. Сейчас опытные образцы индивидуальных биодеградируемых имплантатов уже проходят ограниченные клинические испытания. На реализацию проекта ученые получили крупный грант федеральной целевой программы, поддержанный технологической платформой «Медицина будущего».
- Сергей Иванович, так вышло, что недавно я сломал хирургическую шейку правого плеча и две пястных кости. Врачи поставили стальную пластину в плечо и спицу со штифтом в кисть. В скором времени этот металл нужно будет извлечь. С вашим продуктом этой неприятности можно было бы избежать?
- Не совсем. Неразлагаемые имплантаты, которые необходимо удалять, будут существовать еще очень долго. Их использование во многих случаях оправдано. Медицинская технология установки давно отработана во всех подробностях и относительно дешева. Но и в этой области мы работаем: совершенствуем металлические, керамические и другие имплантаты, нанося на них разного рода биоактивные покрытия.
- Каким образом?
- Используем как традиционные электрохимические методы, так и современные плазменные. Но современный тренд — биоразлагаемые имплантаты. которые со временем растворяются в организме. В России, к сожалению, полностью биодеградируемые имплантанты пока не выпускаются. однако многие коллективы работают в этом направлении. Мы пока не создаем объемный биодеградируемый имплантат. Это должен быть отдельный проект с соответствующим финансированием. Но мы выпускаем имплантаты композитные. Одно из основных направлений — создание биодеградируемых структур, которые способствовали бы заживлению костей. Если совсем просто: можно затампонировать дефект в кости этим материалом либо обмотать им кость, что будет способствовать быстрейшему выздоровлению.
Наши последние разработки замечательно работают в челюстно-лицевой хирургии. Это гибридные имплантаты, в основе которых модифицированная плазменными методами металлическая сетка, которая со временем не ржавеет, а. напротив. имея биоактивные свойства, буквально врастает в кость. Она покрыта композитным материалом на основе биодеградируемых полимеров и кальций-фосфатных наполнителей, который способствует костной интеграции и быстрейшему заживлению.
- Под «маскировочным халатом» из этого материала организм не воспринимает имплантат как инородное тело?
- Да. и таким образом увеличивается его приживаемость. Со временем, выполнив свое предназначение по маскировке, этот материал растворяется без остатка. Как показали исследования коллег из НИИ онкологии, с которыми мы выполняем этот проект, наше изобретение обладает еще и противорецидивным эффектом, что особенно важно для самых сложных случаев с онкологическими больными. Наш имплантат не стимулирует рецидив возникновения опухоли.
- У каждого нового продукта или технологии помимо плюсов есть и минусы. У ваших имплантатов плюсы очевидны. А в чем минусы?
- Прежде всего, это пока не очень высокая механическая прочность. Чтобы обеспечить механику имплантата, нужно его делать достаточно толстым. На лице женщины или ребенка он будет выделяться под кожей. Но полимеры совершенствуются, так что, возможно, в скором времени эту проблему удастся решить. Кроме того, можно увеличивать механическую прочность с помощью композитных систем, интегрированных со специальной арматурой. Во многих случаях к подбору имплантата нужно подходить индивидуально. выбирать его не только по уровню комфорта, но и по другим соображениям, в том числе экономическим.
- И какова экономическая составляющая вашего продукта?
- Последний раз маркетинговые исследования мы проводили года два назад. Наши имплантаты стоят тысячи и даже десятки тысяч рублей. Все зависит от размера — количества расходуемого материала: чем больше имплантат, тем он дороже. Но стоимость зарубежных аналогов все равно в разы выше.
Торопиться не надо!
- Что это за материал, так удачно умеющий разлагаться?
- Материалы могут быть разные: синтетические, природные. Хорошо подходят полимеры на основе молочной или гликолиевой кислот. Ту же молочную кислоту можно получить как химическим способом, так и ферментным с помощью микроорганизмов, но вторая технология дороже. Здесь нужно сочетать экономическую целесообразность и медицинские показатели.
- Но когда имплантат разлагается, продукты разложения уходят в организм. Это опасно?
- Нет. Опасно, если он будет разлагаться очень быстро. Организм просто может не успеть нарастить костную тень.
- Все равно как снять гипс, не дождавшись полного срастания кости после перелома?
- Совершенно верно. Скорость биорезорбции специально подбирается таким образом, чтобы она не мешала живым тканям и проходила со скоростью восстановления костной ткани.
- И за какое время имплантат полностью исчезает?
- Все зависит от того, куда он установлен. В каких-то случаях должно пройти несколько недель, в других— несколько месяцев. Кость не срастается за один-два дня. Срок может быть растянут до нескольких лет.
- А можно немножко поподробнее, что собой вообще представляет такой имплантат?
- Если он делается методом литья, то это гомогенный материал, условно говоря, пластмасса, которая фиксируется такими же пластмассовыми винтами.
- Фантастика...
- Отнюдь, уже существуют и продаются импортные рабочие варианты. Но из-за чрезвычайно высокой стоимости и связанной с этим малой доступности широкого применения в отечественной медицине они пока не имеют.
Гонка преследования
- И кто же здесь лидирует?
- Американцы, немцы, финны. Китайцы купили одну из финских компаний и, насколько мы знаем, тоже начинают производить такие имплантаты.
- А в вашей группе только томичи?
- У нас международная коллаборация. в которую входит около трех десятков ученых из Томска, Кургана, Кемерова, Санкт-Петербурга, а также из Австралии, Германии, Великобритании и ряда других стран. Это не только политехники, но и физики, химики, медики, клиницисты, биологи и т.д.
- Хочется надеяться, что государство вашу работу поддерживает и соответствующим образом финансирует?
- Недавно вышло постановление Правительства РФ о компенсации производителям имплантатов на научные разработки, что позволит проводить НИОКР, закупать для этого современное оборудование.
- Какова сумма компенсации?
- До 80%.
- Если все пойдет удачно, сколько времени понадобится на полное импортозамещение в имплантологии?
- Зависит от бюджета, который будет в это дело вложен. На разработку нужны ресурсы. Не будут вкладываться деньги — не будет имплантатов. Самый оптимистичный сценарий — три года.
- Всего три года, и мы будем полностью обеспечены недорогими отечественными саморастворяющимися имплантатами?
- Всей линейки не будет, но за три года наш коллектив при наличии финансирования может сделать биодеградируемый человеческий имплантат, тем более прототип уже есть. При хорошем финансировании сроки сократятся.
- Такой имплантат можно будет делать под каждого конкретного человека?
- Это тренд, персонифицированная медицина, когда под каждого пациента подбирается материал и делается анатомически максимально совместимый продукт. Мы с нашими зарубежными партнерами пытаемся развивать это направление.
- Используете для этого ЗD-принтеры?
- Да. Изделия, изготовленные нами на ЗD-принтере, уже проходят испытания на лабораторных животных в РНЦ «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова в Кургане. Собаки с ними живут, по заключению наших медицинских коллег, весьма успешно.
- До клинических испытаний на людях дело еще не дошло?
- Можно сказать, что мы работаем с материалами, которые уже много лет испытываются на животных и частично на людях. За рубежом имплантаты устанавливаются уже около трех десятков лет, поэтому у нас есть возможность опираться на богатый накопленный опыт. Оказывается, в отдаленной перспективе металлические имплантаты и корродируют, и отторгаются, поэтому перед тем как человеку что-то устанавливать, нужно проверить, как реагирует его иммунная система на чужеродное тело. Этим занимаются в Хайдельберге, и есть зеркальная лаборатория у нас? в Томском государственном университете.
- Значит, если я сейчас не удалю достаточно дорогую стальную пластину из плеча, я рискую получить в будущем отторжение и последующую опухоль?
- Иммунный отклик может быть разным: кому- то вставили металлический имплантат, он про него и забыл, лет через пять его достал или всю жизнь с ним проходил. У другого человека он начинает корродировать, начинаются металлозы и сепсис. Тут надо смотреть индивидуально.
- Если мы наш российский продукт создаем уже на основе полученного мирового опыта, у нас есть возможность создать инновационный суперимплантат и выйти с ним на международный рынок?
- Безусловно. Более того, за рубежом наши технологии нанесения биоактивных покрытий на традиционные материалы уже пытаются продвигать зарубежные партнеры, которые заключили с ТПУ лицензионное соглашение на одну из наших технологий. Они в этом заинтересованы, поскольку это свежая идея, отличающаяся относительной доступностью необходимого для работы оборудования.
- Известно немало случаев, когда поврежденная кость не подлежит восстановлению. Тогда пациенту вставляют протез, который потом обрастает костной массой и становится как настоящая кость.
- Это тотальные протезы— эндопротезы, ими заменяются целые кости или сустав.
- Тогда можно сделать эндопротез на основе биоразлагаемого материала, который обрастет костной массой, а сам исчезнет?
- Если речь идет о части трубчатой кости, это возможно, но для сустава такое не подойдет. Мы создаем матриксы для генерации костной ткани. Если дефект в кости заполняется таким материалом, со временем он заместится собственной костью. Сейчас также широко используются спицы для интрамедуллярного армирования со специальным полимерным покрытием.
Сергей Иванович Твердохлебов, доцент кафедры экспериментальной физики ТПУ
Не костью единой
Евгений Николаевич Больбасов, научный сотрудник лаборатории гибридных биосов- местимых материалов ТПУ:
- Проблема биодеградируемых имплантатов очень широка. Сергей Иванович рассказал про кости, но в человеческом организме есть и масса других важных органов.
- Разве что-то не костяное можно заменить протезами? Еще и такими, чтобы они со временем разлагались?
- Разумеется. В клиническом применении, наверное, первыми такими российскими имплантатами станут протезы сосудов малого и большого диаметра.
- С ними легче работать?
- В настоящее время эти технологии лучше всего отработаны. Мы предполагаем что первые отечественные сосуды, изготовленные из синтетических биодеградируемых полимеров, будут получены через два-три года.
- Но с костями проще?
- Так нельзя сказать, в этой области своих нерешенных проблем еще очень и очень много. В России существует научная школа, созданная выдающимся ученым Г.А. Илизаровым, которая за годы своего существования смогла разработать и усовершенствовать уникальную методику регенерации костной ткани и выработать перечень требований, которым должны соответствовать современные имплантаты, поэтому на поиски затрачивается меньше времени и процесс разработки необходимого изделия идет несколько быстрее.
- Наверняка есть ученые и медики, которые эту идеологию биодеградируемых конструкций не поддерживают.
- Разумеется. Медицина в этом отношении очень консервативна. Пусть человек ходит пять месяцев в аппарате Илизарова, перенесет пять операций, главное, чтобы вероятность осложнений осталась в рамках допустимой нормы— 20-25%. Если подходить с этой точки зрения, то и правда, ничего нового создавать не надо, старого и испытанного вполне достаточно. Но мы говорим о качестве жизни пациента, это же очень важно.
- А ведь и аппарат Илизарова тоже не сразу все признали, были серьезные критики. Теперь же с вашей технологией и в него можно внедрить разлагаемые компоненты.
- Я практически уверен, что в ближайшее время в аппарате Илизарова замещение спиц с металлических на биодеградируемые не произойдет, это и не нужно. Другое дело, что аппарат постоянно совершенствуется, например, под руководством профессора А.В. Попкова разрабатывается методика, сочетающая в себе достоинства метода остеосинтеза по Илизарову с методикой остеосинтеза эластичными спицами, имплантируемыми в интрамедуллярный канал трубчатой кости. В этом случае замена стальных интрамедуллярных имплантатов на биодеградируемые в скором времени тоже станет возможной.
- Как в Евангелии, когда «хромые ходят»?
- Не только хромые. Так, в случае ортопедической патологии, которая закладывается на этапе эмбрионального развития, использование биодеградируемых материалов позволит с низким процентом осложнений в более короткие сроки исправлять у детей деформации и укорочения конечностей, деформации коленного сустава и многое другое.
- Это уже делал Гавриил Абрамович.
- Да, но по его методике приходилось делать три-пять операций. Использование современных имплантатов потенциально позволяет добиваться сопоставимого клинического результата за одну-две операции. Так, для исправления деформаций конечностей в Томском политехническом университете были разработаны имплантаты, с помощью которых можно сократить срок реабилитации после наложения аппарата в два раза, с 50 до 20 дней. Использование биодеградируемых интрамедуллярных имплантатов увеличивает минерализацию костной ткани в 1,2-1,5 раза. Реализация идей, связанных с использованием пьезоэлектрических имплантатов, позволяет гораздо быстрее проводить дистракцию, удлинение костной ткани. Потенциал современного материаловедения, если его объединить с классическими идеями, синергетически может быть колоссальным.
- И что же нам мешает его достигнуть? Есть какие-то нерешенные проблемы или дело только в финансировании?
- Мы уже достигли стадии ограниченного клинического применения. Думаю, производство таких имплантатов — вопрос ближайшего времени. Возможно, производство не будет массовым, потому что обычных переломов значительно больше, чем ортопедических патологий. Российский потенциал велик, наша ниша будет в специальных хай-тек-и хай-энд-продуктах, которые за рубежом сделать не могут. Но эта работа невозможна без совместного исследования вопроса разными коллективами химиков, физиков, материаловедов, клиницистов.
- Но вы сами говорили, что медицина консервативна. Вы только дошли до доклинических испытаний, следом пойдут годы испытаний клинических, потом постклиника. Сколько же нам еще придется ждать допуска этих протезов к применению?
- Если говорить о протезах сосудов малого диаметра, в Кемеровском научно-исследовательском институте комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний под руководством Л.С. Барбараша эту работу сделают за один-два года. Интрамедуллярные имплантаты для решения проблем, с которыми сталкивается курганский центр им. Г. А. Илизарова, — это тоже год-два. В России проблема осложнена тем, что у нас отсутствует сырьевая база. Сегодня все полимеры мы покупаем за рубежом. Это для нас чувствительный вопрос.
- Неужели мы не можем наладить производство полимеров?
- Можем. За рубежом двигателем развития биорезорбируемых полимеров было развитие отрасли упаковки. В советское время у нас такой упаковки не было, этим начали заниматься только в 1990-е гг., на 20 лет позже, и такой временной лаг сильно сказывается на нас до сих пор. Однако если с зарубежными полимерами все понятно, с российскими нужно будет доказывать принцип «Не навреди» — с клетками, мелкими животными, а это требует времени. В России очень мало центров, которые не просто могут, а именно имеют право проводить такие исследования. Так что проблема упирается не только в экономическую, но и организационно-правовую проблему, часто связанную с отсутствием или задержками принятия необходимых законов и подзаконных актов. И это тормозит процесс.
- Есть и еще одна проблема. Сегодня хирурги умеют устанавливать обычный протез или имплантат. Думаю, в отношении новых биоразлагаемых их надо будет учить заново.
- Конечно. Чтобы использовать новые медицинские изделия, изготовленные из биорезорбируемых полимеров, хирурги должны будут пересмотреть технику своих операций. Потребуются специальное оборудование и хирургические инструменты, да и сама техника установки имплантата изменится. Чтобы в полной мере реализовать новые возможности и новые материалы, мы должны подготовить новое поколение хирургов.
- Но тогда надо уже сегодня начинать учить студентов медицинских институтов обращению с инновационными имплантатами, разрабатывать новые учебные программы?
- Такие междисциплинарные работы уже идут. Томск в этом отношении в нашей стране один из лидеров. Наш город — очень мощный студенческий центр, его часто называют студенческой столицей России. У нас на главной улице находятся четыре ведущих университета, два из которых — национальные исследовательские. Упомянутые междисциплинарные программы существуют между тремя из этих четырех вузов: между Сибирским медицинским государственным университетом. Томским политехническим университетом и Томским государственным университетом. Это очень мощная коллаборация. На нашей кафедре экспериментальной физики есть студенты, окончившие бакалавриат в медицинском университете, получившие степень магистра в ТПУ и задающие диссертационные работы по техническим наукам.
- Студент-медик и экспериментальная физика — что может быть дальше? Это как физики и лирики.
- Напротив, чем дальше, тем эти понятия становятся ближе. И нам очень повезло, что есть люди, которые могут медицинские проблемы переводить на технический язык. Ведь у нас совершенно разная терминология, а успех приходит к тем коллективам, где хорошо налажена коммуникация между производителями продукции, учеными и конструкторами, и потребителями, в данном случае — хирургами. Только в этом случае сбудется наша заветная мечта: мы действительно сделаем в России имплантаты, не уступающие по набору экономических, технических и других характеристик зарубежным аналогам.
- Вы в это верите?
- Конечно!
Евгений Николаевич Больбасов, научный сотрудник лаборатории гибридных биосов- местимых материалов ТПУ
