Источник: ТПУ | Официальный сайт Наука РФ
Коллектив исследователей Томского политехнического университета в составе международной коллаборации разработал 3D-биоэлектрический имплантат, предназначенный для регенерации сложных костных дефектов. Под действием внешнего магнитного поля материал генерирует слабые электрические сигналы, аналогичные естественным биоэлектрическим сигналам костной ткани. Исследования in vivo подтвердили влияние имплантата на ускорение восстановления костной ткани благодаря росту нервных волокон и кровеносных сосудов вокруг.
Имплантат представляет собой пористый 3D-скэффолд, изготовленный методом 3D-печати из биосовместимого гидрогеля на основе желатин-метакрилата с интегрированными магнитоэлектрическими наночастицами.
ТПУ | Официальный сайт Наука РФ | Образцы 3D-имплантата для восстановления костей
Электрическая стимуляция признана перспективным методом повышения эффективности регенерации. Она воспроизводит естественные биоэлектрические сигналы кости – слабые потенциалы, генерируемые при механической нагрузке и служащие клеточными ориентирами. Традиционная реализация данного подхода предполагает использование внешних источников питания, проводов и электродов, что делает методику инвазивной и увеличивает риск осложнений. Для полноценного восстановления костного дефекта необходимо образование не только костной ткани, но и нервных волокон с кровеносными сосудами, их отсутствие существенно замедляет и ухудшает регенераторный процесс.
Руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем пояснил, что наночастицы имеют тип «ядро-оболочка», где магнитострикционное ядро из феррита марганца покрыто пьезоэлектрической оболочкой из модифицированного перовскита титаната бария состава Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3. При наложении магнитного поля ядро подвергается деформации, а оболочка переводит её в электрический импульс, запускающий регенераторные клеточные процессы. Разработанные имплантаты выполняют функции временной опоры для клеток и одновременно служат активной биоэлектрической платформой, обеспечивающей активацию нейронов, усиление межклеточных взаимодействий, стимуляцию ангиогенеза и направление клеток для формирования костной ткани.
ТПУ | Официальный сайт Наука РФ | Доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем
В ходе in vitro и in vivo экспериментов 3D-печатные магнитоэлектрические скэффолды под действием слабого переменного магнитного поля обеспечивали остеогенную дифференцировку стволовых клеток костного мозга и созревание шванновских клеток, что сопровождалось повышением внутриклеточного Ca²⁺ в 1,83 раза и TGF‑β в 1,54 раза, активацией сигнальных путей PI3K‑AKT и BMP, а также ростом экспрессии нейротрофических факторов GDNF, BDNF и NGF. На модели дефекта бедренной кости мышей уже через 2 недели фиксировались ранние признаки роста нервных клеток и запуск развития костных тканей, а к 8‑й неделе — выраженное восстановление костной ткани с прорастанием нервов и сосудов. При этом магнитоэлектрическая стимуляция ускоряла формирование нервов и сосудов в 3,1 раза, а костной ткани — в 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.
По оценке директора Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Романа Сурменева, основное преимущество данного подхода регенерации заключается в объединении технологий 3D-печати и использовании беспроводной электрической стимуляции в одной платформе из биорезорбируемого полимерного материала на основе желатина и биосовместимых магнитоэлектрических наночастиц. В дальнейшем такие 3D-конструкции могут применяться для регенерации не только костной, но и других сложных тканей, где требуется одновременный межклеточный обмен и рост клеток, сосудов, нервов.
В исследовании приняли участие ученые Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Шанхайского института керамики, Университета Китайской академии наук, ТГУ, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, МИСиС и Университета Авейру. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты работы ученых опубликованы в журнале ACS NANO (Q1, IF:17,3).
Подписывайтесь на наш Telegram-канал — там еще больше важных новостей!
