Студентка МИФИ разработала композитный материал для восстановления костной ткани

Маргарита Керученко учится на третьем курсе Института ядерной физики и технологий МИФИ, увлекается материаловедением, точнее – разработкой новых материалов для медицинского применения. Возможно, созданный студенткой композит станет настоящим прорывом в восстановительной хирургии – материал постепенно растворяется в организме человека, замещаясь костной тканью.

Интервью подготовлено в рамках рубрики «Голос науки».

– Маргарита, название вашей научной работы – «Получение стронций замещенного витлокита, допированного катионами эрбия» – с первого раза и не выговоришь! Наверное, для того, чтобы выбрать такую сложную тему, надо было увлечься наукой еще в детстве?

– Полноценно заниматься наукой я начала в десятом классе. Тогда в моей школе в Калининграде была открыта программа по взаимодействию с Балтийским федеральным университетом. Я вступила в эту программу, стала ее участницей. Примерно полгода мы занимались подготовкой к олимпиадам, а потом взялись реализовывать свои проекты, для меня это было исследование пьезокомпозитов. В 11 классе я продолжала заниматься этой темой, а еще принимала участие во многих конкурсах. Победила в «Юниоре» и поступила в МИФИ по программе БВИ, без вступительных испытаний. Примерно на втором курсе меня больше всего стала интересовать медицинская тематика, наверное, это закономерно – я из семьи врачей, для меня медицина важная часть жизни, помощь людям всегда в приоритете. К тому же мне повезло попасть в Институт металлургии и материаловедения имени А.А.Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), где меня приняли на работу в «Лабораторию керамических и композиционных материалов». Так что тема моей исследовательской работы –«Получение стронций замещенного витлокита, допированного катионами эрбия и возможность его применения в восстановительной хирургии» – вовсе не случайна.

– Можете простыми словами объяснить, в чем состоит суть вашей работы?

– Керамику на основе фаз фосфата кальция я допирую катионами стронция (Sr2+) и эрбия(Er3+), что позволяет добиться лучшей биорезорбируемости – способности материала растворяться в условиях организма. Если объяснять простыми словами, я создаю материал, которым можно заполнить пустоты, скажем, при удалении части кости, что случается, например, при онкологических заболеваниях. Постепенно имплантат растворяется и индуцирует рост костной ткани в том месте, где он находился. По сути, я пытаюсь получить неорганический аналог костной ткани.

– А при чем здесь витлокит?

Витлокит- это кристаллическая структура природного минерала, подобную ей, но синтетическую, а именно β-трикальциевыйфосфат с химической формулой Ca₃(PO4)₂ (β-ТКФ) получаю я. Дело в том, что особенностью данной структуры является возможность катионных и анионных изоморфных замещений, что позволяет вводить практически любые катионы или анионы, тем самым влиять на свойства материала.

– В чем уникальность материала?

– Получение неорганических материалов для биомедицинского применения – это достаточно обширная и очень актуальная на сегодняшний день тема. Кальций-фосфатная керамика со стронцием – не мое изобретение. Инновация в том, что во-первых, мы вводим в материал дополнительные катионы эрбия, которые, как ожидается будут способствовать появлению фотолюминесценции, для фототермической абляции раковых клеток. А во вторых, я пытаюсь получить не просто керамическое изделие по стандартной технологии, а с помощью методов аддитивного производства. В этом и состоит новизна моего проекта.

Благодаря эрбию открываются новые неожиданные возможности. Эрбий – тяжелый элемент. Вводя его, мы добиваемся рентгеноконтрастности. Зачем это нужно? Сейчас объясню. К примеру, мы имеем дело с пациентом, страдающим онкологическим заболеванием. Из-за саркомы, которая развилась в костной ткани, часть кости человеку удаляют, заменяя фрагмент нашим композитным материалом. И он достаточно прочный, с крепкой кристаллической структурой. Мы можем направить на этот материал лазер и, используя свойство фототермии, разрушить метастазы, если они возникли, не повреждая при этом здоровые клетки. Это дополнительное свойство. Основное – наш материал отличный аналог костной ткани, заменяющий костную компоненту.

Еще одно важное преимущество нового материала – прочность. Пока не начнется более активная выработка остеобластов и костная ткань не заместит имплантат, он должен выдерживать все нагрузки, которые приходятся на руку, ногу или какую-то конкретную небольшую косточку. И, подчеркну, этот материал не резервируется в организме, а со временем рассасывается и выводится.

– Как вы думаете, будет ли такой материал востребован на рынке или у него слишком много конкурентов?

– Проблемы со здоровьем костной системы встречаются самые разные – переломы, ранения, разрушение суставов, онкологические заболевания… Поэтому и биматериалы нужны разные. Сегодня в медицине используются как органические имплантаты, когда костную ткань берут у донора или самого пациента, так и неорганические материалы. В последние 5 лет рынок биоматериалов для восстановления костной ткани резко снизился, многие импортные продукты ушли, но стоит отметить, что на этом фоне началась разработка отечественных биоматериалов. Сейчас рынок костно-замещающих материалов в основном представлен гидроксиапатитом (другой фосфат кальция). Например в ИМЕТ РАН, мой научный руководитель Полина Алексеевна Крохичева занимается разработкой костных неорганических цементов на основе кальциймагний фосфатов, они используются для вертебропластики, когда заполняют содержимое позвонков, например, при остеопорозе. Нашему материалу, включающему стронций и эрбий, несомненно, тоже найдется место на рынке. Тем более, с помощью 3D-печати и нового материала можно изготовить индивидуальные изделия, конкретные заданные формы, то есть, условно говоря, смоделировать тот участок кости, который нуждается в замене.

Но до выхода на рынок еще очень далеко. Сначала надо пройти исследования in vitro, затем – клинические. Потом заняться патентами, документацией. Мы должны быть уверены, что наш материал эффективен и безопасен, ведь речь идет о здоровье людей.