Ученые НИУ МИЭТ разработали конструкцию для устранения дефектов сердца

Конструкция может использоваться как для создания самостоятельных тканенинженерных имплантатов для восстановления дефектов сердца, так и покрытий для сердечно-сосудистых приборов, например, аппаратов вспомогательного кровообращения, стентов и др.

Новая электропроводящая конструкция, предложенная учеными Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ, предназначена для создания тканенинженерных имплантатов и покрытий для сердечно-сосудистых приборов.

Конструкция может использоваться как для создания самостоятельных тканенинженерных имплантатов для устранения дефектов сердца, так и покрытий для сердечно-сосудистых приборов, например, аппаратов вспомогательного кровообращения, стентов и др. Об этом свидетельствуют результаты исследований атомно-молекулярной структуры, электропроводности и твердости, а также био- и гемосовместимости слоев.

При использовании в качестве покрытия композитные слои могут являться связующим звеном между сердечно-сосудистым прибором и текущей кровью, предотвращая повреждения клеток крови и тем самым снижая неблагоприятные эффекты для пациента и уменьшая общую нагрузку на систему здравоохранения.

Социальная значимость новой технологии

Ежегодно в мире происходит более 17 миллионов смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, и это число продолжает расти. Значительная часть смертей связана с сердечной недостаточностью, лечением которой в терминальной стадии является пересадка донорского сердца либо установка аппаратов вспомогательного кровообращения. При этом наблюдается острая нехватка донорских сердец, а в случае аппаратов вспомогательного кровообращения нередки побочные явления, связанные с плохой совместимостью материала аппарата с текущей кровью. Ученые активно ищут способы регенерации тканей пациентов без использования донорских тканей, и одним из вариантов является применение методов тканевой инженерии – выращивание здоровой ткани из собственных клеток пациента на специальных каркасах. Каркасы с клетками далее имплантируются в место дефекта, обеспечивая заживление поврежденной ткани.

Что в составе

Конструкция, предложенная учеными МИЭТа, состоит из композитных слоев, в состав которых входят углеродные нанотрубки и биополимеры. В качестве биополимеров использовались белок крови альбумин, белок соединительной ткани коллаген и природный абсорбент полисахарид хитозан. Композитные слои формировались с помощью разработанного лазерного 3D-принтера, а жидкая дисперсная среда из биополимеров и нанотрубок выступала в роли чернил для него.

– Слои конструкций создавались с помощью формирования разветвленной трехмерной сети из нанотрубок с узлами проводимости в матрицах биополимеров, – поясняет руководитель научной группы, к.ф.-м.н., доцент института БМС МИЭТ, заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий Александр Герасименко. – Лазерное излучение позволило обеспечить электропроводность сети и, соответственно, конструкций, превышающую электропроводность аналогичных образцов, полученных обычным нагревом, например, в термостате.

Исследования

Полученному экспериментальному эффекту предшествовали теоретические исследования связывания нанотрубок между собой для образования электропроводящей структуры. Значения электропроводности разработанных конструкций соответствуют электропроводности миокарда (сердечной мышцы). Это важно для создания сердечных имплантатов, которые должны быть электропроводящими, поскольку сердце генерирует электрический ток, распространяющийся по сердечной ткани и обеспечивающий его сокращение. Разветвленная сеть из углеродных нанотрубок, сформированная с помощью лазерного излучения, способствовала повышению механической прочности по всему объему конструкций.

Кроме того, в результате экспериментов было выявлено, что технология позволяет управлять пористостью конструкций. Ученые обнаружили физический механизм образования паровой оболочки вокруг нанотрубок, влияющий на образование пор, при воздействии на них импульсами лазерного излучения с определенной энергией. Для этого были использованы знания в области нелинейно-оптических исследований материалов с нанотрубками.

Пористость конструкций была настроена таким образом, что они содержали поры с малыми и большими размерами. Малые поры будут обеспечивать прорастание кровеносных капилляров и нервных волокон, а большие – заполняться клетками сердца.

В результате эксперимента удалось продемонстрировать жизнедеятельность клеток сердца в пористой 3D-структуре каждого из композитных слоев конструкций. Через двое суток клетки в структуре композитных слоев начинали образовывать фрагменты элементарного слоя эндотелия, а композитные слои при этом обеспечили благоприятное воздействие на кровь. Поскольку сердечно-сосудистые имплантаты должны при контакте предотвращать разрушение оболочек красных клеток крови (эритроцитов), которые содержат гемоглобин, переносящий кислород по организму, то ученые провели исследования уровня гемолиза крови при контакте с разработанными конструкциями в соответствии с протоколом этического комитета Сеченовского университета. Испытания с кровью также закончились положительно.

Более подробно о разработке лазерной технологии фабрикации конструкций из композитных слоев на основе биополимеров и одностенных углеродных нанотрубок, разработанной в рамках проекта 20‐49‐04404 Российского научного фонда, можно почитать в научном журнале Composite Structures.