Биоинженеры Научного Центра Здоровья Университета штата Техас в Хьюстоне (University of Texas Health Science Center at Houston) возглавили проект по многосторонним исследованиям в разработке биосовместимого соединения для безоперационного «ремонта» серьезных повреждений костей.

Исследователи получили грант Министерства обороны США на проект по разработке «чудо» шпатлевки для соединения и восстановления костей ног, сильно поврежденных или раздробленных в результате взрывов противопехотных мин или различных других взрывчатых веществ. По данным Министерства – около 30% боевых травм включают повреждения костей. Такие переломанные или раздробленные кости плохо срастаются и часто не срастаются никогда. В этом случае прибегают к ампутации.

Цель гранта – разработка специального состава, который мог бы служить шпатлевкой и каркасом для поврежденных костей. Общее финансирование – почти 8 миллионов долларов на научно исследовательские работы, которые запланировано завершить к декабрю 2010 года. Первые результаты должны быть доложены приблизительно через год. В проекте сотрудничает несколько крупных исследовательских центров страны. Для удобства обмена информацией между участниками проекта запущен отдельный веб сайт: http://www.sainc.com/FPTeaming/

Технология заживления раздробленных костей должна выглядеть следующим образом (см рис. 1–4):

Рис.1. Композитный материал – шпатлевка для переломов (или био-нано-каркас) имплантируется в зону сильного разрушения кости. Факторы роста клеток (протеины), входящие в состав композитного материала, стимулируют клетки к росту. Шпатлевка является несущей структурой, принимая на себя распределенный вес тела так, что пациент может ходить в продолжение процесса заживления.

Рис.2. Шпатлевка усваивается клетками, которые начинают строительство новой кости. Одновременно начинается постепенный процесс деградации шпатлевочного композита.

Рис.3. По мере рассасывания шпатлевки, вес постепенно все больше и больше переносится на регенерированную кость, способствуя функциональному восстановлению ноги.

Рис.4. Через несколько месяцев после повреждения архитектура и функции кости полностью восстановлены.

Серьезные повреждения ног обычно восстанавливают заменой части кости имплантом (bone grafting). Иногда в качестве импланта используют материалы из тела самого пациента, но чаще всего используют разного рода шпильки, пластинки, винты для скрепления частей поврежденных костей и удержания их в нужном положении в продолжение всего срока выздоровления. Эти инородные детали изготовлены из искусственных, синтетических или натуральных заменителей кости, например, металлов, требуют множества операций, очень продолжительного срока восстановления ноги и, более того, не всегда приживаются, создавая серьезный риск здоровью пациента.

Шпатлевка для восстановления кости, если подход к ее созданию окажется успешным, позволит солдатам легче переносить тяжелые ранения и фундаментально ускорит процесс полного функционального восстановления ног. Такая шпатлевка может быть также использована также и в отделениях скорой помощи для лечения гражданских лиц, пострадавших в результате автомобильных аварий или других травматических событий, – утверждает доктор Мауро Феррари (Mauro Ferrari, Ph.D.) – ведущий исследователь проекта и один из основных функционеров Департамента Биомедицинских Технологий (Department of Biomedical Engineering), который создан совместными усилиями трех научно-исследовательских центров, входящих в состав Университета штата Техас.

Успех даже в небольшой части проекта может обладать потенциалом для революционных преобразований в ортопедической медицине. Люди с серьезными травмами ног могут получить возможность полного восстановления функций конечностей, которые сегодня подлежат ампутации или замене на постоянные искусственные протезы.

Как говорит д-р Феррари, – группа с огромным энтузиазмом работает над созданием живого материала, который может быть использован совершенно без вреда для разрушенных костей тела. Такой материал должен укрепить тело изнутри и предоставить силовую поддержку пока не нарастут новые кости. В медицине хорошо известно, что все, что может быть сделано для ускорения процесса заживления, несет благо пациенту. При этом уменьшается риск внесения инфекций и осложнений.

Агентство, финансирующее проект – DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – агентство передовых оборонных исследовательских проектов) – это агентство Министерства обороны США, отвечающее за разработку новых технологий для использования в вооружённых силах, обычно спонсирует революционные, высоко рисковые научные исследования с высокой отдачей, которые преодолевают проблемы фундаментальных исследований и военные и гражданские приложения последних. По мнению д-ра Митчелла Закина (Mitchell Zakin, Ph.D), одного из менеджеров DARPA, данный проект представляет собой уникальное и совершенное соединение современных достижений материаловедения, механики и ортопедии.

Предполагается, что шпатлевка будет включать в себя материал, известный как нано-пористый кремний, который был разработан в лаборатории д-ра Феррари. Этот материал должен дать шпатлевке искомую прочность для поддержки веса пациента в продолжение периода регенерации новой костной ткани.

Безусловно, новый путь восстановления травм длинных костей исключительно труден. По мнению ведущих специалистов проекта, проблема потребует участия лучших умов в областях нанопористых материалов, петидов, био-полимеров, стволовых клеток и клеев. Искомое решение должна принести интеграция наноматериалов с уникальными свойствами в «умные» композиции, которые смогут воспроизвести структуру и функции костей. Шпатлевка должна служить в качестве биологически активных «лесов» и должна полностью заменить кость на некоторое время. В то же самое время, шпатлевка должна облегчить и ускорить процесс формирования естественной кости и самозаживления окружающих тканей путем привлечения собственных стволовых клеток пациента. Шпатлевка должна иметь структуру по типу модельной глины для удобства придания ей различной формы и размеров, поскольку такой материал должен иметь возможность использования в различных хирургических приложениях, включая соединение разделенных частей кости и замену отсутствующих костей. Не исключено, что шпатлевка в один прекрасный день будет использована для лечения повреждений спинных и черепно-лицевых костей.

Группа д-ра Феррари начнет предварительные испытания механических и биологических параметров соединений-кандидатов с математических моделей и систем in vitro. На следующем этапе все соединения будут испытаны на моделях животных.

Если шпатлевка заработает на животных моделях, на следующем этапе будут вовлечены пациенты. Согласование с Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (U.S. Food and Drug Administration) уже начато.

Евгений Биргер