Армировать сердце: как в ТГУ сделали металлотрикотаж, который организм принимает за «своего»

Человеческий организм – сложнейшая, филигранно выстроенная система, которая распознает и отторгает любой чужеродный элемент. Поэтому материал для восстановления какого-либо органа – проблема для хирургов. И – интересная задача для физиков-материаловедов. Ученые Томского госуниверситета сделали сетку из никелида титана, которой можно армировать хоть сердце – она ведет себя так же, как «живая» ткань. На данный момент больше всего операций с применением чудо-материала провели онкологи на репродуктивной системе, и некоторые пациентки впоследствии даже смогли стать мамами. Подробнее – в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ.

Онкология – самый распространенный случай, когда человек может потерять часть органа. Если опухоль прорастает глубоко, хирурги убирают целые фрагменты. И нужны специальные материалы, чтобы армировать, то есть укрепить пострадавшие анатомические структуры. Одним из самых лучших материалов для укрытия больших дефектов считалась американская мембрана Gore-Tex. Но она и раньше была очень дорогая, а в последние месяцы стала просто недоступная.   

Екатерина Марченко, доктор физико-математических наук, заведующая лабораторией сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ: 

«Недавний пример: у пациента была саркома грудной стенки с повреждением сердца. Врачи удалили обширный объем ткани. Для ее замещения планировали взять либо капрон, либо, лавсан, либо полимерные материалы. Но у первых двух есть проблема – они не деформируются обратимо гиперупруго, т.е.если растянулись – обратно не стягиваются. Соответственно, если заместить ими ткани, которые должны постоянно растягиваться и сжиматься (при вдохе и выдохе, при ударах сердца), материал будет накапливать повреждения и постепенно разрушится. А возле сердца должна быть высокая чистота – чтобы не дай бог никаких ниточек не попало… Если говорить про полимеры, то они деформируются, но не интегрируются, обрастая фиброзной капсулой или слизистой оболочкой, то есть оставаясь для организма чужеродным телом.

Проблему онкологи решили с помощью нашей технологии – никелид-титановой сетки, которая имеет циклически обратимые переходы – может растягиваться до 40 % и возвращаться в исходное состояние (как резинка), не накапливая необратимые повреждения».

Металл металлу рознь – титан, например, без необратимых повреждений растягивается всего до 0,5%. При постоянном растяжении до 2% он исчерпает свой ресурс за несколько месяцев. Но если к титану добавить никель, он за счет изменения кристаллической структуры обретет такое свойство, как сверхэластичность, обратимая текучесть. Ресурс материала уже будет 8% растяжения. Его называют металлотрикотажем. Поскольку мягкие ткани человека растягиваются на 4-5%, то ресурс имплантата будет фактически вечным.

Качество никелид-титанового сплава – само по себе не новость. И делается он просто: берется никель, берется титан, после плавки в печи получается слиток. Главный вопрос в том, что делать с этим слитком дальше.

Екатерина Марченко:

«А дальше мы на специальном станке металл деформируем (растягиваем) и получаем тонкую проволоку. Она тоньше, чем волос, и обладает сверхэластичностью. Этого мы добиваемся очень четкой дозировкой титана и никеля (в граммах!) и специальными режимами деформирования.  Именно в этом и заключается ноу-хау. У нас есть корейские партнеры, у которых те же самые установки и даже круче. Но они много лет пытаются и не могут получить нить с нужными качествами. Потому что не знают наших технологических фишек…

Кроме механики, для имплантата важен такой аспект, как биохмия – чтобы в агрессивной среде организма не началась коррозия (ведь организм – это электролит). Для этого мы модифицируем поверхность нитей диэлектриком – модификатором, который насыщает поверхность оксикарбонитридами и защищает от окисления.  Все результаты нами получены при реализации Мегагранта и программы развития ТГУ Приоритет 2030».

Рисунок − Имплантат из металлотрикотажа NiTi из проволоки 60 мкм, интегрированный в мягкие ткани передней брюшной стенки крысы

У нитей может быть разная толщина: одна с человеческий волос, другая в три раза тоньше, третья – наоборот, толще и т.д. Есть, например, сердце. Какую сетку выбрать в конкретном случае? Физики ТГУ решили этот вопрос с помощью моделирования. Они сравнили механику сетки и механику ткани на оригинальном приборе, сделанном под заказ в ТУСУРе.

Екатерина Марченко:

«Например, покупаем тушу барана, берем кусочек сердца, растягиваем, отпускаем, получаем одну кривую. Берем сетку, растягиваем, отпускаем, получаем вторую кривую… Так мы растянули одну сердечную мышцу и 50 сеток. А как их сравнить – живое и неживое? Мы разработали модель, которая математически описывает материал по 11 параметрам, невзирая на его структуру – из коллагена он или из металла. Благодаря этому мы можем проводить оценку биомеханического подобия разных по структуре, но схожих по поведению материалов. Сделали специальный атлас биотканей, в котором охарактеризовали наши сетки с маленьким шагом.

Пока это лечение считается экспериментальным – в тяжелых случаях пациент дает разрешение на применение наших разработок. На сердце уже прошло 11 операций, но гораздо больше было операций гинекологических. Хирурги из НИИ онкологии устанавливают наш материал для укрепления матки после удаления опухоли. Обычно после подобных операций женщины теряют репродуктивную функцию, но металлотрикотаж из никелида титана организм принимает за «своего», клетки начинают прорастать сквозь ткань. А поскольку сетка эластичная, она может растягиваться вслед за маткой. И у нас было примерно 9-10 случаев беременностей и родов пациенток. Без нашей технологии они не смогли бы стать мамами…».