Сотрудники Института физики Казанского федерального университета разработали аналитические инструменты на основе магнитного резонанса, с помощью которых можно контролировать качество биосовместимых композитов. Такие материалы используются в аддитивном производстве костных протезов, стимулирующих естественный рост живых тканей и восстановление поврежденных частей тела.

Снимок структуры полимер-керамического композита, выполненный с помощью сканирующего электронного микроскопа

Исследования проводились в сотрудничестве с представителями Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова, Национального политехнического университета Бухареста, Академии румынских ученых, итальянского Института структуры материи и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова, сообщает пресс-служба КФУ.

«Перспективными для регенеративной медицины являются композиционные материалы на основе биорезорбируемых (биоразлагаемых) полимеров и фосфатов кальция. 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», — рассказал один из авторов исследования, директор Института физики КФУ Марат Гафуров.

Физика живых систем — одно из направлений, развиваемых Институтом физики КФУ в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями.

«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» по направлению «Цифровая геномика материалов» и других программ занимаются расчетами, синтезом и изучением новых материалов для медицины. 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», — рассказал Марат Гафуров.

«Поливинилпирролидон (PVP) — это биосовместимый полимер. Можно из него изготовить имплантат, который организм со временем сам разрушит и выведет, то есть не потребуется повторная операция по извлечению имплантата. Но если из такого материала изготовить имплантат 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 имплантат, 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 определять образовался или разрушился композит, что является важным для медико-биологических приложений», — рассказал доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Георгий 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 полимер-керамических композитах.

«Получены данные по временам электронной и ядерной релаксации ядер водорода и фосфора — шаг на пути применения магнитно-резонансной томографии для анализа состояния биоимплантатов в человеческом организме», — пояснил Георгий Мамин.

По словам директор 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. 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», — пояснил Марат Гафуров.

Источник