3D-каркасы для восстановления костной ткани

Красноярские ученые разработали полностью биоразлагаемые пластиковые 3D-каркасы для регенерации костной ткани. Они полностью биосовместимы, прочны и могут эффективно использоваться для костной пластики. Полимер, из которого создан каркас, способен спустя время «рассасываться» в организме, оставляя вместо себя полноценную, восстановленную организмом кость. О работе сообщает Красноярский научный центр СО РАН.

Повреждения и потеря костной ткани или костные дефекты могут возникнуть вследствие различных травм, инфекций, опухолей или генетических нарушений. Чтобы восстановить костную ткань, необходимы методы и материалы, направленные на запуск в организме процесса формирования костной ткани и восстановления костей после повреждений.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработали полностью биоразлагаемые 3D-каркасы для регенерации костной ткани. Каркасы биологически совместимы, не содержат стимуляторов и позволяют наращивать костную ткань в поврежденном месте. Их можно эффективно использовать в качестве имплантатов для костных дефектов, при этом организм самостоятельно будет восстанавливать собственную костную ткань.

Фотография 3D-каркаса из биополимера: общий вид (слева) и продольный разрез (справа). Shishatskaya et. al. 2023/International Journal of Molecular Sciences

Каркас изготовлен из разрушаемого биоразлагаемого полимера оксипроизводных жирных кислот природного происхождения. Он был синтезирован в Институте биофизики СО РАН при помощи бактерий штамма Cupriavidus eutropus. Из исходного полимера специалисты вытягивали пластиковые «нити», из которых в дальнейшем при помощи 3D-принтера были напечатаны каркасы. Исследование показало, что каркас обладает прочностью, сопоставимой с прочностью костной ткани.

Для оценки биосовместимости при имплантации специалисты заместили каркасами поврежденную область в бедренной кости домашних свиней. Исследование показало, что остеобласты — клетки, образующие костную ткань, активно заселяли поверхность каркаса, проникали в его структуру. Клетки распространялись по каркасу, покрывали его поверхность и заполняли всё пространство. Это позволило организму сформировать костную ткань и восстановить анатомическую структуру кости за пять месяцев. При этом, как отмечают ученые, сам каркас способен медленно — от нескольких месяцев до нескольких лет — разрушаться в организме. Полимер, на основе которого создан каркас, распадается на мономеры масляной кислоты — обычный метаболит всего живого, под воздействием ферментов крови, тканевой жидкости и клеток макрофагов. Это объясняет высочайшую биологическую совместимость этих полимеров.

«Результаты эксперимента и первоначальная оценка остеопластических свойств 3D-каркасов говорят об их перспективности для формирования костной ткани. Разработанные 3D-имплантаты, не содержащие никаких лекарственных препаратов и стимуляторов, обеспечили формирование полноценной и зрелой костной ткани и полное восстановление дефекта. Они пригодны для реконструкции дефектов костной ткани в качестве имплантатов и перспективны для дальнейших исследований», — рассказала Татьяна Волова, доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН, заведующая кафедрой СФУ.

В исследовании также принимали участие специалисты Сибирского федерального университета и ЧУЗ «Клиническая больница "РЖД-Медицина"». Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.