Научные сотрудники Института физики Казанского федерального университета разработали аналитические инструменты на основе магнитного резонанса, с помощью которых можно контролировать качество биосовместимых композитов, используемых для изготовления костных протезов, стимулирующих естественный рост живых тканей и восстановление поврежденных частей тела.

Исследования проводились в сотрудничестве с представителями Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Национального политехнического университета Бухареста, Академии румынских ученых, Института структуры материи (Италия) и Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова.

«Перспективными для регенеративной медицины являются композиционные материалы на основе биорезорбируемых (биоразлагаемых) полимеров и фосфатов кальция, – рассказывает один из авторов статьи, директор Института физики КФУ Марат Гафуров. – Сочетание свойств полимеров (пластичность, гидрофильность, растворимость, набухаемость) и фосфатов кальция (кровеостанавливающие и антибактериальные) позволяют создавать методами 3D и 4D-печати изделия, обладающие необходимыми биологическими и механическими характеристиками. Можно получать пористые композиты и пропитывать их лекарственными препаратами. Разработка таких материалов – важный шаг в сокращении сроков восстановления костной ткани, уменьшении сроков реабилитации и повышении качества жизни пациентов, перенесших травмы и операции мягких и костных тканей».

По словам Марата Ревгеровича, физика живых систем – одно из направлений, активно развиваемых Институтом физики КФУ в содружестве с рядом российских и зарубежных научных организаций.

«Сотрудники нескольких кафедр, в первую очередь кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии, кафедры физики молекулярных систем и кафедры медицинской физики, а также научно-исследовательских лабораторий нашего института в рамках программы «Приоритет–2030» (направление «Цифровая геномика материалов») и других программ занимаются расчетами, синтезом и изучением новых материалов для медицины, – сообщил М. Гафуров. – Исследование, проведенное совместно с российскими и зарубежными учеными, результаты которого недавно опубликованы в журнале Polymers, позволило продемонстрировать эффективность методов магнитного резонанса в изучении органоминеральных композитов на основе полимера поливинилпирролидона и фосфата кальция в виде керамики гидроксиапатита. Мы также установили, что эти методы могут быть использованы для контроля качества этих композитов и разработки инструментов, которые позволят отслеживать процессы обработки образцов, резорбции и деградации».

Доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Георгий Мамин пояснил, почему перспективным для изготовления костных протезов является композитный материал на основе поливинилпирролидона и гидроксиапатита.

«Поливинилпирролидон (PVP) – это биосовместимый полимер. Можно из него изготовить имплант, который организм со временем сам разрушит и выведет, то есть не потребуется повторная операция по извлечению импланта. Но если из такого материала изготовить имплант для замены фрагмента кости, то он разрушится быстрее, чем сформируется новая кость. Поэтому PVP смешивают с гидроксиапатитом, одним из главных компонентов костей млекопитающих. Организм, разрушая имплант, сразу получает материал для строительства новой кости. Уже сейчас ведутся работы по 3D-печати костных фрагментов из подобных материалов, но возникают проблемы, которые необходимо решать. К примеру, нужно контролировать, есть ли в составе полимера вредные примеси, а также то, как соединяется полимер PVP с частицами гидроксиапатита. Частицы гидроксиапатита трудно разрушить. Электронный парамагнитный резонанс позволяет определить образовался или разрушился композит, что является важным для медико-биологических приложений», – сообщил Г. Мамин. 

В опубликованной статье описано, как с помощью методов магнитного резонанса можно контролировать состав исходных материалов и конечного композиционного продукта, а также выявлять дефекты в композите полимер–керамика. 

«Получены данные по временам электронной и ядерной релаксации ядер водорода и фосфора – шаг на пути применения МРТ для анализа состояния биоимплантов в человеческом организме», – сказал доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии.

По словам директора Института физики КФУ, в последнее время в связи с санкционными ограничениями возникает острая необходимость в разработке новых и модернизации существующих систем контроля природных и синтезируемых материалов.

«Приборы, принцип работы которых основан на явлении магнитного резонанса, не являются в этом случае исключением, – заметил Марат Гафуров. – В силу своих уникальных возможностей им в настоящее время нет альтернативной замены. Сейчас, в том числе на базе полученных числовых данных, на кафедре физики молекулярных систем разрабатываются новые приборы ЯМР. В перспективе – новые комплексы для томографии».