09:12 2020年04月07日
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人体把任何异物视为敌对的物质并且排斥它。这个属性是免疫力的基础,保护我们免受许多疾病的困扰。但对于恢复性医学来说,身体的免疫反应是一个重要问题,因为它往往导致对移植物出现排斥。国立托木斯克理工大学核技术学院的科学家提出了一系列改善肿瘤学、心脏病学和整形外科学中生物相容性的解决方案。

特殊的表面
今天制造大多数移植物的单相材料不能保障再生可替换或可修复组织或器官的所有必要功能。所以现代修复医学专注于创造模仿活性组织的多相生物材料。
由于使用多组分杂化材料,这种模仿成为可能,包括使用表面改进过的复合材料,这赋予它们特殊的性质,例如疏水性或亲水性。
国立托木斯克理工大学的科学家们研究创建类似材料十多年。他们的发明中包括:用于在移植物上镀上生物活性涂层的独特设备,伊里扎洛夫固定器的新辐条,它几乎将骨组织的修复时间减半;用于培养器官的基质("生物反应器"),以及镀有纳米颗粒的冠状动脉支架(特殊框架),所述纳米颗粒"破坏"动脉粥样硬化斑块并预防心脏病发作和中风。 

通用离子-等离子体涂层喷涂装置
© 照片 : TPU
通用离子-等离子体涂层喷涂装置

使用混合材料可以创建具有所需特性的表面,这些特性不仅用于移植学。应用于冠状动脉支架的复合纳米材料当被引入血管时,能够破坏动脉粥样硬化斑块,并且给基质镀上磷酸钙涂层("生物反应器")能够让骨组织从细胞中生长,并且未来生长出器官。

为了创造具有改善的生物相容性的移植物,科学家通过物理化学、离子等离子体和辐射方法达到表面和结构的功能化,从而获得原则上新的材料并修改现有的材料。

这种移植物的表面具有防腐剂,并且在必要情况下,还具有抗肿瘤特性以及改善的关节整合(移植物和骨组织之间的功能连接)。这有助于防止对移植物产生排斥、防止有毒化学反应的流动和致病组织的生长。

排斥移植物可能由于违背其与人体的免疫相容性而发生,在这种情况下会出现继发感染。为了防止这个问题,以及摆脱由于材料选择不当而造成的重大财务损失,国立托木斯克理工大学的研究者们与医生一起开发了分析身体对移植物成分免疫反应的方法。
国立托木斯克理工大学魏恩贝尔格新闻科学教育中心副教授谢尔盖·特维勒达赫列波夫表示,"免疫反应的研究在于分析对巨噬细胞材料(保护细胞,它们是血液中免疫系统的作用剂)的反应。分析应在筛选生物相容性材料的阶段进行"。
磷酸钙钛骨
基于磷酸钙和其他化合物的涂层使钛移植物与真实骨骼非常相似。这能够减少排斥次数并加速再生过程。
特维勒达赫列波夫表示,现有的移植物表面处理设备并不完全符合现代要求。所以国立托木斯克理工大学的科学家们正在开发允许使用微电弧氧化法快速镀上生物活性涂层的新一代装置。
研究人员还在开发用于取代骨质缺损的生物可吸收移植物技术。已开发的混合骨移植物用于使用可生物降解的聚合物和3D打印方法对颅面部区域进行重建手术。

用3D打印技术制作的复合材料植入体
© 照片 : TPU
用3D打印技术制作的复合材料植入体

移植物的核心是金属网钢构件和完全溶于体内的聚合物。在它们的帮助下,医生能够为具有颅骨、面部骨骼损伤的患者以及肿瘤患者执行最复杂的手术。
专家的计划是生产用于恢复人体支撑运动系统功能的医疗设备,包括髋关节和脊椎手术的移植物。
预防心脏病发作和中风
动脉粥样硬化是影响动脉的最常见慢性疾病。结缔组织动脉的增殖导致其管腔变窄和心肌(心肌层)的血液供应不足。
使用特殊框架(支架)扩张受影响的血管区域的概念由介入放射学的先驱者之一查尔斯·多特尔提出,第一次手术于1986年进行。支架是由线细胞构成的薄金属管。它被引入受影响的血管,同时扩大其缝隙。
国立托木斯克理工大学和托木斯克市场营销中心的心脏科学研究所的科学家们合成了一种复合纳米材料,它用于喷涂在冠状动脉支架上,并且能够破坏斑块动脉粥样硬化,该粥样硬化是心脏病发作和中风的主要原因。
国立托木斯克理工大学的研究员,化学博士马林娜·特鲁索娃表示,今天添加药物的支架被广泛应用在医学中,但药物可能有副作用。
她告诉俄罗斯新闻通讯社:"动脉粥样化每五到六年加剧一次,必须更换支架。我们的支架将"打破"动脉粥样化,让患者不用做新的手术"。
本发明得到了美国和欧亚大陆的专利。在临床前研究时测试了原型冠状动脉支架的毒性;临床试验应在2020年之前开始。
用于快速康复
国立托木斯克理工大学的科学家们与库尔干伊里扎洛夫中心的专家共同开发了具有生物活性涂层的骨内钛和钢移植辐条,这将使患者在治疗创伤后四肢畸形方面的恢复时间缩短近两倍。
通过空气动力学形成或磁控溅射的方法将生物活性涂层(基于压电碳氟塑料和羟基磷灰石的复合材料)镀到钢辐条上。通过微电弧氧化法将磷酸钙涂层镀到钛移植物上。

带有磁控磷酸钙涂层的植入体
© 照片 : TPU
带有磁控磷酸钙涂层的植入体

谢尔盖·特维勒达赫列波夫指出:"测试表明,使用新移植物,在35天内恢复了4厘米的骨组织,而使用经典移植物,在70天内恢复了4厘米的骨组织。同时,相比于经典移植物,新形成的骨组织密度高出2.5倍左右,更接近健康骨密度的标准"。

科学家表示,由于修复性成骨的刺激,这项技术使我们能够在最短的时间内保证治疗的积极效果,而俄罗斯仍然是骨科和创伤学的世界领导者。

试管组织
科学家们提出为再生医学和培养人体组织创建充当生物反应器的基质,在干细胞固定的多孔结构中能够形成所需类型的组织 — 结缔、骨骼、皮肤或心脏组织。
国立托木斯克理工大学核技术学院的等离子体混合系统实验室研究员叶夫根尼·巴里巴索夫告诉俄罗斯新闻通讯社:"我们制作生产基质,使用超细纤维在电场的作用下形成它们"。
使用生长因子加速形成骨组织。例如,最薄的磷酸钙涂层。

特维勒达赫列波夫解释,"沉积在其组成中具有钙和磷的细胞开始进入骨组织。如果将细胞简单地移植在培养皿中,它在那里将是流离失所,而在这里,在基质中,它处在营养良好的"房子"中"。

科学家的研究在俄罗斯联邦科学和高等教育部的支持下,在俄罗斯科学基金会、俄罗斯基础研究基金会的联邦目标计划"俄罗斯2014-2020年科技综合体优先方向的研究与开发"框架内进行。

国立托木斯克理工大学的开发已经通过临床前和临床研究。科学家的计划包括创建植入式设备,该设备可以读取患者的状况指标、分析身体对某些物质的需求,并能够有针对性地提供这些物质。

 

关键词
科学, 俄罗斯
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