При поддержке
Как вырастить искусственную кость
Рассказывает Рындык Мария
Младший научный сотрудник Института нефтехимического синтеза РАН, студент 1 курса магистратуры «Химия молекулярных систем и материалов» факультета химии НИУ ВШЭ
Стильные штаны и настоящая причина выбора профессии
Люди вообще часто травмируют свой организм, попадают на операционный стол, и… мне всегда хотелось, чтобы если не бабушка, то хотя бы другие люди с травмами и заболеваниями костей, смогли вернуть себе свое здоровье и полностью восстановиться.
Моя бабушка шла забирать меня из садика и попала под машину. Кость ноги была буквально раздроблена и врачам пришлось собирать её из мелких осколков. Ей установили титановую пластину, которая скрепляла разрушенную кость. И несмотря на то, что прошло уже много лет, полноценно функциональность ее ноги до сих пор не восстановилась.
Я Маша Рындык, химик-исследователь и тканевый инженер. Не путайте меня с лабораторной швеей — я создаю ткани человеческого тела, а не одежду. Хотя, если бы я могла шить одежду, которая исцеляла бы травмы, это было бы идеально!
Моя мама работала врачом, а по папиной линии — кругом профессора и научные сотрудники. Продолжить нашу научную династию было для меня чем-то закономерным на подсознательном уровне. И вы, наверное, думаете, что я расскажу, как я развивала в себе будущего ученого с самого детства и оправдывала ожидания близких?
Если у вас болит нога, просто поносите эти стильные штаны
Но нет, совсем нет. В раннем детстве я была сумасшедшей бунтаркой. Так своеобразно пыталась завоевать внимание мамы и папы. Прогуливала уроки, дралась с мальчиками, разбивала их влюбленные мальчишеские сердца.
Когда мне было 5 лет, случилась история, которая и привела меня в науку.
Главная «невыполнимая» задача биоинженеров при создании материалов для организма?
Из чего состоит уникальный композит для восстановления костей?
Важнейшее свойство полимера в искусственной кости, отличающее его от обычного пластика?
Основная функция пористого каркаса (скаффолда) из 3D-печати?
Что означает четвертое измерение в 4D-печати «умных» материалов?
Ой-ой-ой. Кажется, кто-то запутался в лекарствах и должен посмотреть выступление спикера снова.
Поздравляем! Почти победа! Чтобы окончательно и бесповоротно разобраться в нефи — посмотри выступление Марии или прочти краткий текст
БРАВО! За лекарства можно не волноваться.
Есть сахарозаменитель, а есть сердце-заменитель
Мы, тканевые инженеры за последние десятилетие разработали искусственные заменители для огромного количество тканей и органов.
Но летом всем землянам все равно на 2 недели отключат горячую воду. Видимо печатать человеческие органы попроще.
А недавно его протестировали на МКС. Органы людей уже печатают в космосе!
А слышали ли вы про пересадку искусственного сердца? Как у железного дровосека из мультика «Волшебник изумрудного города». Такие операции проведены уже несколько раз. Протез сердца помещается в организм человека, а «заряжается» он от внешнего источника тока. Правда, такое сердце помещается в организм, конечно, на время. Пока пациент ждет «живое» сердце от другого человека — донора. Как пауэр-банк, пока вы не дошли до розетки.
Искусственные кости — тоже не новость. Те же металлические стержни и пластины. Однако… с имплантацией изделий из металла есть большие проблемы.
Печать искусственной кожи, например, взамен поврежденной ожогом — тоже совсем недавно стала реальностью. Причем кожу можно печатать прямо на человеке при помощи биопринтера.
Из полимерных материалов получилось сделать искусственные сосуды, некоторые из них уже были вживлены в организм человека.
Сейчас я создаю ткани для восстановления здоровья людей, а раньше я просто рвала их — в прямом смысле, когда дралась с мальчиками. И я думаю, что это именно то, что делает науку такой интересной — она может изменить не только мир вокруг нас, но и нас самих. Причем кардинальным образом.
Мы работаем вчетвером. Как у Дюма. Нас четверо, пока ещё мы вместе, но дело есть и это дело — КОСТИ!
Мы, тканевые инженеры создаем искусственные органы и ткани взамен поврежденных или разрушенных. Я занимаюсь тканевой инженерией уже 5 лет в ИНХС РАН.
Это уникальная профессия, сочетающая в себе компетенции инженеров-проектировщиков и медиков, химиков и биологов. Как человек-паук у которого из рук и нити, и когти Росомахи, и зарядка Туре-С.
Главной областью моих профессиональных интересов стала тканевая инженерия. И как вы поняли, это не про пошив одежды.
Уступайте места женщинам, детям и растущей костной ткани!
И да, мы с коллегами часто «кости перемываем», но это не про сплетни. Мы то действительно кости перемываем.
Биорезорбируемый имплант, как временный мост, помогает на месте (например) перелома, соединить две стороны пропасти (поврежденной кости). Но как только дорога (новая кость) построена, мост исчезает сам собой — он больше не нужен.
Это свойство важно для того, чтобы их, как металлические имплантаты (об которые буквально крошится кость), не пришлось извлекать из организма.
Биорезорбируемые материалы выполняют поддерживающую функцию и как бы тают в теле человека, уступая место собственной костной ткани.
Представьте, вы поместили имплантат на место костного дефекта, он вплотную соприкасается с костью, а потом этот имплантат начинает растворяться, а своя кость синхронно расти.
Важно: материал для восстановления костей должны быть биорезорбируемым. Он должен рассасываться в организме.
Это как с мамой. Какое-то время она должна присматривать, подсказывать, поддерживать. «Куда без шапки? Не водись больше с этим хрящом! Не переживай, ты ещё срастёшься и всем им покажешь!». Но, как и маме, имплантату нужно уметь вовремя и спокойно отпустить кость.
Кость это два в одном, как шампунь и гель.
Это как найти идеального партнера — он должен быть совместимым и не вызывать аллергии.
Так мы создали материал, визуально похожий на тесто, который можно помещать в тело человека.
Апатит дает твердость имплантату, а полимер прочность, мягкость и упругость. Как и в жизни, дело может пойти плохо, если какой-нибудь полимер не проявит мягкости и не пойдет на уступки.
Почему так?
Очень важно, чтобы материал был именно композитным (то есть 2 в одном: полимер плюс апатит). Как шампунь плюс гель, только в нашем случае это нужная вещь, а не то, что по кругу передаривают в офисе!
Полимер — материал, почти, как в пластиковой бутылке, но биосовместимый и биорезорбируемый. Напоминаю. Биорезорбируемый — тот, который рассасывается в костной ткани.
Апатит — это основной материал костной ткани. Это белый порошок, но только синтезированный в лаборатории. Кости всегда рисовали белыми не просто так. Природа понимала, что белый — ко всему подходит! А чтобы не пачкались — обтянула их кожаным чехлом.
На ПЕРВОМ этапе нужно сделать материал по составу похожий на костную ткань: апатит и полимер.
Процесс создания искусственного заменителя состоит из двух этапов — создание материала и изготовление из него имплантата — методом 4D-печати.
Как, например, мой бывший. Когда он начинал говорить, мне хотелось в него бросить чем-то сосудосуживающим.
Звучит здорово. Но все не так просто. Мы с коллегами по лаборатории, с моими 3 мушкетерами, стали размышлять, как именно создать такой материал, который будет растворяться в организме и при этом будет биосовместим и не будет вызывать воспалений и аллергий?
*собрались брейнштормить*
Спорим, твоя кость вырастет за неделю?
Когда работа завершена и здание готово, леса убирают — они больше не нужны
Как бывший:
«Я был нужен тебе, пока ты была слаба и сломлена… а теперь — прощай. Я растворюсь в ночи… точнее в организме».
«Я был нужен тебе, пока ты была слаба и сломлена… а теперь — прощай. Я растворюсь в ночи… точнее в организме».
Создавая материал для восстановления костной ткани, мы должны сделать его таким, чтобы скорость его растворения была равна скорости роста костной ткани.
И эти условия мы как раз можем запрограммировать.
Верно, это время, а 4D-материал — это материал, который изменяется во времени при определенных условиях.
ЗD — три измерения: высота, длина, ширина. Но что такое 4D?
Допустим, принцип работы 3D принтера нам понятен — берем материал, и принтер печатает по нарисованной нами схеме.
А еще в этих скаффолдах обязательно должны быть поры — чтобы туда могли прорасти сосуды и клетки роста собственной кости ткани человека.
Со строительных лесов тоже должен быть выход. В прорабы или хотя бы перекусить.
Со строительных лесов тоже должен быть выход. В прорабы или хотя бы перекусить.
— Окей, клеточки, вот вам леса, стройте себе органы!
И клетки такие:
— А где рабочие? Где техника? Где зарплата?
— Вы и есть рабочие. Вот вам ведро кофеина и плейлист из клеточных сигналов. Добро пожаловать в биоинжиниринг!
И клетки такие:
— А где рабочие? Где техника? Где зарплата?
— Вы и есть рабочие. Вот вам ведро кофеина и плейлист из клеточных сигналов. Добро пожаловать в биоинжиниринг!
Второй этап — это превращение этого материала, цельной, однородной как тесто, в имплантат. Это тесто нужно пропустить через 3D-принтер для получения пористого каркаса — так называемого, скаффолда.
Подсказка: оно мелькает и утекает, а у некоторых, судя по словам родителей, особенно после 30 — со страшной силой тикает.
*происходит превращение в имплант*
Клетки
На английском, кстати, скаффолды — это строительные леса. Действительно, наши биорезорбируемые скаффолды — настоящие строительные леса, которые временно поддерживают здание (кость), пока оно восстанавливается.
Имплантат растворяется, а кость растет.
Расти кость, большая и маленькая!
И если мы, тканевые инженеры будем хорошо работать, то огромное количество людей сможет быть счастливыми и здоровыми.
Если это не мотивация для работы, то я не знаю, что такое мотивация. Ведь на самом деле каждый учёный хочет быть супергероем. В белом халате.
Если это не мотивация для работы, то я не знаю, что такое мотивация. Ведь на самом деле каждый учёный хочет быть супергероем. В белом халате.
Мы с командой доказали: создание материалов для восстановления тканей более чем реально. Их свойства мы можем запрограммировать. Наши материалы уже были протестированы на животных — на крысах, кроликах, свиньях. Сейчас они готовятся к испытаниям на человеке.
Да, нам нужно продолжать работать над тем, чтобы эти материалы были идеальными для каждого возраста — чтобы они растворялись как раз вовремя, как хороший шутник, который знает, когда нужно закончить выступление.
У ребенка — быстро кость растет, у пожилого человека — медленнее.
Представьте ситуацию: вы вставляете имплантат, а он растворяется раньше, чем успевает сформироваться новая кость. Получается дырка вместо имплантата. Как у депутатов, по смете все правильно, здесь должна быть скамейка.
Или наоборот, имплантат становится как камень в теле и отказывается растворяться. Это тоже не самый лучший вариант. Мало ведь нам камней в почках.
Или наоборот, имплантат становится как камень в теле и отказывается растворяться. Это тоже не самый лучший вариант. Мало ведь нам камней в почках.
Биорезорбируемые материалы уже используются повсеместно. Да, они существуют, но нам все еще нужно их совершенствовать.
И если вы думаете, что создавать такие материалы — это очень сложно, то поверьте, это не так сложно, как объяснить родителям, почему вы решили стать не врачом, а тканевым инженером.
Тканевые инженеры — это супергерои, представляете, мы научились управлять временем!
Мы буквально создаем материалы, которые могут адаптироваться к организму человека, как мой психолог — принимает меня такой, какая я есть.
Мы буквально создаем материалы, которые могут адаптироваться к организму человека, как мой психолог — принимает меня такой, какая я есть.
Ведь для людей разных возрастов имплантаты должны растворяться с разной скоростью.
*тканевый инженер за работой*
Рок-звезды российской науки
При поддержке
В спецпроекте использованы платные изображения Shutterstock: авторы asharkyu, Junawati, eranicle, Prostock-studio, LankaP, O-IAHI, Victoria Fox, FamVeld, Monstar Studio, IM Imagery, Pixel-Shot, Gorodenkoff, Anton Vierietin, Ljupco Smokovski, FamVeld, Garna Zarina, BINGO 86, graja, amgun. А также кадры из фильмов: «Я и моя тень» Режиссер: Энди Теннант,Warner Bros. Pictures, 1995; «Три мушкетера», Режиссер Георгий Юнгвальд-Хилькевич,1979: «Три мушкетера», Режиссер Сергей Жигунов, 2013; «Маша и медведь», Режиссёры Олег Кузовков, Олег Ужинов, Ольга Баулина, Владислав Байрамгулов, Роман Козич, Денис Червяцов, Наталья Мальгина, Георгий Орлов, Андрей Беляев, Илья Трусов, Марина Нефёдова, Студия Анимаккорд; мультфильм «Волшебник Изумрудного города» Режиссер/Постановщик Юлиан Калишер 1974; «Терминатор», Режиссёр Джеймс Кэмерон, 1984, Кинокомпании Hemdale Film, Pacific Western Productions, Euro Film Funding, Cinema 84; «Сейлор мун», Режиссёр Дзюнъити Сато, Кунихико Икухара, Такуя Игараси Студия Toei Animation, 1992-1997;