Большинство ортопедических имплантов, таких как искусственные бедренные и коленные суставы, имеют срок службы от 10 до 15 лет, что создаёт необходимость многократного повторения операции для замены изношенных протезов. Учёные из Университета Брауна пытаются создать новые импланты, более хорошо интегрирующиеся с окружающими их клетками.

Исследователи под руководством профессора Томаса Уэбстера разрабатывают более простые способы определения того, насколько успешно имплант интегрируется с окружающими тканями, нежели обычное рентгеновское исследование. Стартовой точкой в создании «протезов-биосенсоров» является титан – наиболее популярный материал в имплантологии благодаря его прочности и биосовместимости. После химической и электрической обработки поверхности титанового импланта на ней образуются микроскопические впадины. В этих впадинах затем выращивают углеродные нанотрубки-«антенны» (см. рисунок).

Поверхность титанового импланта, на которую нанесены углеродные нанотрубки.

На таким образом модифицированную поверхность наносились живые клетки. По электрическим свойствам структуры учёные могли определить, что росло на поверхности импланта: кость, воспалённая шрамовая ткань или бактериальная биоплёнка. К удивлению исследователей, такая модифицированная поверхность не только позволяла просто оценить качество интеграции протеза с клетками, но и сама способствовала росту костной ткани. На поверхности с углеродными нанотрубками костная ткань росла вдвое быстрее, чем на немодифицированной поверхности титана, а также содержала больше кальция.

Уэбстер видит несколько возможных объяснений этому эффекту. Нанотрубки могли «мимикрировать» под волокнистую структуру костной ткани, облегчая рост клеток. Кроме того, электропроводность нанотрубок могла как-то стимулировать клеточный рост. Так или иначе, результаты исследований выглядят многообещающими.

Следующим шагом на пути к созданию «умных» имплантов должно стать создание устройств, способных не просто оценить рост кости вокруг них, но и реагировать на медицинские проблемы. По словам Уэбстера, углеродные нанотрубки можно было бы заполнять теми или иными препаратами, выделяемыми в той иди иной ситуации. Например, при обнаружении формирования биоплёнки на поверхности импланта, можно было бы доставить антибактериальное лекарство прямо в очаг инфекции. Возможно использование и многих других препаратов, от противовоспалительных до стимуляторов роста костной ткани.

Однако, остаётся ещё вопрос безопасности. Дело в том, что углеродные нанотрубки не являются биодеградируемыми. Кроме того, в литературе встречаются противоречивые оценки их безопасности для применения in vivo, что, вероятно, обусловлено различными методами изготовления. Уэбстер и его коллеги планируют начать испытания своих протезов на животных в следующем году.