Специалисты из Томского политехнического университета, работавшие в рамках международной научной группы, создали трехмерный D-биоэлектрический имплант для регенерации серьезных повреждений костной структуры. Используя воздействие внешнего магнитного поля, материал генерирует небольшие электрические импульсы, имитирующие природные сигналы здоровой кости. in vivo Полученные данные свидетельствуют о том, что подобный имплантат стимулировал формирование новой костной массы посредством увеличения количества нервных окончаний и кровеносных каналов в прилегающих тканях.

Данная работа была профинансирована грантом Российского научного фонда ( №25-73-10231). Результаты научной деятельности были доведены до сведения общественности в научном издании ACS NANO (Q1, IF:17,3).

Для достижения полного восстановления костной ткани после повреждения или хирургического вмешательства критически важно, чтобы в области поражения формировалась не только новая ткань скелета, но и нервные окончания, а также кровеносные сосуды. В отсутствие этих элементов процесс регенерации протекает замедленно и менее эффективно. Одним из многообещающих методов для ускорения восстановления считают воздействие электрическим током. Этот метод воспроизводит естественные биоэлектрические характеристики кости: в нормальных условиях они формируются благодаря механическому воздействию, которое вызывает слабые электрические импульсы – эти сигналы помогают клеткам определять место и способ регенерации тканей. Тем не менее, классические подходы к электростимуляции требуют использования внешних источников питания (проводов и контактов). Это делает процедуру инвазивной и увеличивает вероятность возникновения побочных эффектов.

Специалисты Томского политехнического университета в сотрудничестве с российскими и иностранными учеными создали имплантат, способный генерировать электрические импульсы непосредственно в области повреждения кости при помощи слабого магнитного поля на расстоянии. Имплантат представляет собой пористую трехмерную структуру. Она была изготовлена методом 3D-печати из биосовместимого гелеобразного материала, состоящего из желатина и метакрилатной смолы с добавлением магнитоэлектрических наночастиц.

«Наночастицы сконструированы по принципу „ядро-оболочка“: в основе каждой частицы лежит магнитострикционное ядро из феррита марганца (MnFe2O4), которое окружено пьезоэлектрической оболочкой, созданной на базе перовскита модифицированного титаната бария Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT). Под воздействием магнитного поля ядро незначительно деформируется, а эта механическая трансформация преобразуется оболочкой в электрический импульс. Именно этот сигнал инициирует клеточные реакции. Таким образом, наши имплантаты одновременно служат временной поддержкой для клеток и активной биоэлектрической платформой, стимулирующей нервные клетки, усиливающей коммуникацию между ними, поддерживающей формирование сосудов и направляющей их в процессе создания костной ткани», — пояснил руководитель научной работы, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.

Последовательные лабораторные исследования показали, что трехмерные структуры с магнитными свойствами под воздействием слабого переменного магнитного поля стимулируют формирование костной ткани стволовыми клетками из костного мозга и развитие шванновских клеток нервной системы. Магнитоэлектрическая стимуляция значительно увеличивает внутриклеточное содержание Ca2+ (в 1,83 раза) и уровень TGF-β (в 1,54 раза), активируя сигнальные пути PI3K-AKT и BMP, а также повышает выработку нейротрофических факторов (GDNF, BDNF, NGF) для стимуляции роста нервов.

Эксперименты на живых организмах с использованием разработанных трехмерных имплантатов при дефектах бедренной кости у мышей показали через две недели признаки раннего развития нервных клеток и активацию формирования костных тканей. Восемь недель спустя было зафиксировано заметное восстановление костной ткани, а также «прорастание» сосудов и нервов. Магнитоэлектрическая стимуляция позволила ускорить формирование нервной сети в 3,1 раза, а рост костной массы – на целых 4,6 раза по сравнению с контрольными группами.

«Ключевым достоинством новой методики регенерации тканей является объединение технологий трехмерной печати и применения беспроводного электрического воздействия в рамках единой системы, имитирующей внеклеточный матрикс поврежденных человеческих тканей. Эта платформа состоит из биоразлагаемого полимера на основе желатина и совместимых магнитоэлектрических наночастиц. В будущем подобные трехмерные платформы могут быть применены для восстановления не только костей, но и других сложных структур организма, где необходимо контролировать сразу несколько процессов: рост клеток, формирование сосудов, развитие нервов и обмен между ними», — добавил директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Сурменев.

В научной работе приняли участие специалисты из Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Шанхайского института керамики (Китай), Университета Китайской академии наук (Китай), ТГУ, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, МИСиС и Университета Авейру (Португалия).