Дёшево и надёжно: российские учёные создали материал для костной трансплантации из яичной скорлупы и рисовой шелухи

Недетское детство

Адиле Одамаевой из села Ближнее, которое находится недалеко от Феодосии, 5 лет. В первые полтора года жизни девочки не было никаких сомнений в том, что ребёнок абсолютно здоров. Поэтому, когда после одной из прогулок Адиля внезапно почувствовала сильную боль в голени, родители сразу же отвезли её в травмпункт. Рентген показал перелом. Но полтора месяца в гипсе никак не изменили ситуацию – едва встав на травмированную ножку, Адиля снова заплакала.

В Санкт-Петербурге девочке поставили диагноз – врождённый ложный сустав голени. Ложный, потому что кость становится подвижной там, где не должна такой быть. У взрослых людей это может произойти вследствие перелома - в редких случаях кость просто не срастается. Постепенно между обломками кости нарастает хрящевая ткань, образуя выпуклость на коже - тот самый ложный сустав. Он не имеет функций, зато приносит невыносимую боль и нарушает работу конечностей. У Адили ложный сустав возник из-за неправильного развития скелета ещё в утробе. А проявил себя, когда девочка начала активно ходить.

Тогда же, в Питере, маленькая Адиля перенесла свою первую операцию – установку аппарата Илизарова. Кость жестко фиксируется с помощью металлических колец, которые обхватывают ногу, и вставляющихся прямо под кожу спиц. Так создаются максимально комфортные условия для сращения кости - она полностью неподвижна и защищена от деформации.

На смену аппарату пришла неудобная ортопедическая обувь и строгие ограничения по нагрузкам, чтобы защитить кость от деформации. Игры с соседскими ребятами в мяч для Адили до сих пор под запретом. Единственное, что дает ей хотя бы малую надежду на полноценную жизнь – остеопластика. С помощью металлического штифта врачи установят девочке совершенно новую кость. Стоит операция почти миллион рублей. Найти такие деньги семье из села, в которой работает только отец, нереально.

В поисках достойной альтернативы

Полноценно задокументировать костную трансплантацию впервые удалось голландскому хирургу Иову ван Меекерену. В 1668 году он имплантировал фрагмент черепной кости собаки в череп раненого солдата. С медицинской точки зрения всё было сделано идеально. Но происхождение трансплантата пришлось не по душе католической церкви. Парня поставили перед выбором: либо физическое исцеление, либо вера. Тогда он вновь обратился к ван Меекерену с просьбой удалить собачью кость. Хирург отказал, потому что имплантат полностью интегрировал в череп. И извлечь его означало пробить здоровому человеку голову. Солдат был отлучён от церкви.

Современная медицина предлагает замену костной ткани как природными, так и синтетическими материалами в самых разных сферах: от стоматологии до ортопедии. Всемирная организация здравоохранения фиксирует как минимум 50 млн травм в год, которые приводят к проблемам с опорно-двигательной системой и требуют трансплантации.

Долгое время основными материалами для восстановления кости были либо фрагменты скелета самого пациента, либо донорские ткани. Но иммунитет больного может отвергнуть донорский материал. Отторжение проявляется в виде местной (например, воспаление в месте пересадки) или системной (показатели крови) иммунной реакции.

Использовать собственные кости пациента тоже рискованно. Забор фрагментов – это дополнительные операции, высокий риск инфекций и кровотечений. Да и собственного материала человека просто недостаточно, чтобы восстановить, например, большую бедренную кость.

Всё это подтолкнуло учёных к разработке новых материалов для остеопластики. Синтетические имплантаты должны обладать биологической совместимостью с организмом, а скорость их распада – соответствовать скорости образования собственной ткани пациента.

Остеокондуктивность материала также важна: когда молодые клетки костной ткани в области дефекта начинают разрастаться и захватывать трансплантат, ему необходимо стойко выдержать этот процесс. Здесь же важную роль играет наличие пор. Имплантат становится не просто заместителем недостающей кости. Он превращается в мелкопористый каркас для развития новых сосудов и клеток, единое целое с окружающей его здоровой тканью.

Сейчас хирургами активно используется полиметилметакрилат. Этот материал состоит из порошка и жидкости. Его ещё называют «костным цементом». Отличительные черты: способность к самоотверждению, высокая прочность, минимальные воспалительная реакция и токсичность. Но по своей природе он пассивен и почти не взаимодействует с окружающими его живыми тканями, а значит даже со временем не интегрируется в кость.

Яйца и рис в борьбе за здоровые кости

Специалисты Центра композиционных материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» решили «доработать» костный цемент с помощью материала из разряда силикатной биокерамики. Так они хотели не только улучшить его характеристики и расширить сферу применения, но и сделать его экономически доступным.

Изготовить необходимый материал решили из отходов сельского хозяйства – рисовой шелухи и яичной скорлупы. При выборе сырья учёные руководствовались знаниями о составе продуктов и их доступностью. Они подсчитали, что ежегодно производится около 600 млн тонн риса. В отходы попадает масса богатой кремнием рисовой шелухи, которая используется как корм для скота или просто выбрасывается. А яичная скорлупа на 90% состоит из кальция. И в промышленности её тоже часто никак не используют.

Кроме того, выяснилось, что именно из этих компонентов можно произвести сразу три минерала, которые в теории могут стать качественной основой для создания имплантатов. Это волластонит, форстерит и диопсид. Для их получения шелуху сначала обрабатывают кислотами и щелочами. Затем извлекают из нее устойчивый к кислотам диоксид кремния. После чего смешивают его с яичной скорлупой. Полученную смесь выпекают при 800-1300°С. На выходе получаются минералы, в составе которых содержатся кальций, кремний, кислород и другие вещества, характерные для костей.

Каждый из полученных минералов учёные протестировали на совместимость с кровью и стволовыми клетками мышей. Для этого они поместили небольшие порции минералов и биологического материала в пробирки. Лучше всего себя повёл диопсид. Он растворялся в крови максимально медленно, при этом практически не влияя на жизнедеятельность клеток.

Полиметилметакрилат поставляется в лаборатории в виде порошка, поэтому для дальнейшей работы учёным пришлось сначала растворить его в жидком хлороформе. Постоянно перемешивая раствор, к нему добавили растертый в мелкий порошок диопсид. Полученную смесь нагревали в течение 30 минут при 80°C для полного испарения хлороформа. После чего оставшуюся суспензию отлили в тефлоновую форму для изготовления цилиндрических каркасов. Сушили её сначала в вытяжном шкафу в течение ночи, а затем в вакуумной камере, где температура кипения намного ниже, чем обычно, что позволяет удалить остатки жидкости быстро и без ущерба для структуры.

В результате получился материал под названием ПММА-диопсид. Выглядит он, как невысокий пористый цилиндр, как таблетка, увеличенная в несколько раз. Для каждого конкретного случая врачи могут «выпилить» нужную им форму.

Образцы, в которых содержится 50% диопсида, показали увеличение прочности на сжатие в четыре раза и хорошую способность к осаждению костных минералов на своей поверхности. А механические свойства нового полимерно-керамического композита такие же, как у губчатой кости человека. Кроме того, известно, что диопсид стимулирует образование костной ткани.

Протестированный образец готов к использованию. С его помощью планируют устранять дефекты черепа и других костей, полученные при различных травмах. ПММА-диопсид также обеспечивает надежную фиксацию искусственных имплантатов и суставов. Новым материалом заинтересовались и стоматологи. Не исключено, что он закрепится и в других сферах медицины. А благодаря низкой себестоимости композит будет доступен для широких слоёв населения. Результаты работы московских учёных уже опубликованы в Journal of Asian Ceramic Societies.

Автор: Анна Добровольская

По материалам: https://www.sciencemon.ru/office/org/blog/258094/