Искусственные связки из нанотрубок и коллагена помогут в восстановлении суставов

Ученые создали новый тип искусственных связок суставов, они представляют собой бесшовную трубку из полиэтилентерефталата, покрытую каркасом из углеродных нанотрубок и коллагеном. Исследователи предполагают, что разработанная ими технология позволит сократить время реабилитации пациентов в среднем на семь недель. Кроме того, ученые ожидают, что отторжение имплантата в краткосрочной перспективе снизится в 2,5 раза по сравнению с существующими образцами. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences, кратко о них сообщается на сайте РНФ.

Растяжение или разрыв связок — частая и весьма неприятная травма у спортсменов и вообще у людей, ведущих активный образ жизни. Наиболее частой из таких травм оказывается разрыв передней крестообразной связки коленного сустава, на нее приходится больше половины общего числа повреждений суставов. Для лечения подобной травмы необходимо имплантировать донорские или синтетические связки. Однако в первом случае есть вероятность отторжения чужой ткани, а во втором искусственные материалы могут обладать низкой биосовместимостью и плохо приживаться.

Решение этой проблемы удалось найти ученым из Московского института электронной техники, Сеченовского университета, Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева, Московского областного научно-исследовательского клинического института имени М. Ф. Владимирского и Самарского университета. Разработанный ими имплантат представляет собой волокна из термопластика полиэтилентерефталата (ПЭТ) с покрытием на основе каркаса из одностенных углеродных нанотрубок, сформированного инфракрасным излучением в матрице из коллагена. В отличие от других полимеров, к примеру, полиэстера и полипропилена, ПЭТ с меньшей вероятностью вызывает воспаление суставной полости.

Однако этот материал обладает низкими биологическими свойствами, поэтому в области имплантации в кость возникает рубец из соединительной ткани, которая мешает восстановлению пациента и повышает риск повторной операции. Чтобы исправить это, ученые искали материал с улучшенной биосовместимостью, который способен усилить механические свойства соединения между имплантатом и костью. В результате изучения различных биополимерных материалов — например, белков организма — и их взаимодействия с ПЭТ-волокнами ученые пришли к идее комбинирования углеродных нанотрубок с коллагеном. Таким образом, каркас из нанотрубок в коллагене обеспечил имплантат уникальной структурой за счет сильной связи между атомами углерода, а также улучшил восстановление и прорастание костной ткани. В свою очередь, была достигнута бисовместимость ПЭТ-связок и в результате заживления кости уменьшено количество соединительной ткани вокруг имплантата.

Разработанную технологию тестировали на кроликах, которым были имплантированы искусственные ПЭТ-связки с покрытием из углеродных нанотрубок с коллагеном. Шестимесячные испытания показали отличную приживаемость имплантата. Благодаря каркасной структуре из углеродных нанотрубок в матрице коллагена бедренная кость ровно и быстро зарастала и фиксировала имплантат связки, об этом свидетельствовали снимки с томографа. Гистологические исследования, проведенные спустя три и шесть месяцев после имплантации, показали отсутствие воспалительных процессов и образование новой костной ткани. Также было выявлено, что в ходе биоразложения в структуре имплантата появляются поры диаметром от 0,5 до 6 мкм. Со временем количество пор и их размер увеличились до 20 мкм. Через них кровеносные сосуды и нервные окончания прорастают внутрь имплантата, что ускоряет восстановление пациента.