В исследовательскую группу входят ученые из России, Австралии, Германии и Франции, в том числе профессор Борис Чичков, руководитель лаборатории наноинженерии в Университете Лейбница, и Елена Иванова, доктор биологических наук и заслуженный профессор Мельбурнского королевского технологического университета. Координатором проекта с российской стороны является руководитель международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем, профессор ИТМО Вадим Вейко.

Также к участию привлечены организации: завод по изготовлению ортопедических компонентов «Lenmiriot», стоматологический фрезерный центр «ОРТОС», Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И.П. Павлова, Институт Проблем Химической Физики РАН и Лионский университет во Франции.

Проект сосредоточен на решении актуальной проблемы отторжения имплантов и риска воспаления тканей вследствие бактериального заражения. Команда проекта предложила специально разработанный биомиметический дизайн поверхности импланта, имитирующий структуру костной ткани. Однако окончательный дизайн еще в процессе разработки — ученые экспериментируют со структурой рельефа: должен ли он быть дискретным, то есть иметь для каждой клетки свой отдельный «домик», или же непрерывным, вмещающим несколько клеток.

«Мы выдвинули феноменологическую гипотезу о том, что для наилучшей биоинтеграции титанового импланта в костную ткань необходимо создать такой рельеф поверхности, при котором на клетку будет оказываться наименьшее внешнее механическое воздействие. В качестве основы для такого рельефа мы обратились к природе, так как клетка — это живой объект, и известно, что она чувствительна к любым внешним воздействиям», — рассказывает Юлия Карлагина, исполнитель проекта, аспирант и инженер факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники (ФЛФО) ИТМО.

Поверхность импланта будет облучаться лазером для повышения биосовместимости и микробной резистентности. Именно лазер станет главным инструментом управления функциональными свойствами поверхности имплантов: особая комбинация режимов воздействия лазерного излучения и схем сканирования поверхности лазерными импульсами позволяет одновременно формировать рельеф и менять химический состав поверхности.

Помимо практической разработки, целью проекта ученые называют фундаментальное исследование взаимосвязи биосовместимости имплантов с физико-химическими свойствами их поверхности, а также параметрами лазерного воздействия. До сих пор такой подробной модели, описывающей зависимость всех этих факторов, предложено не было.

Однако масштабность исследования и его всеобъемлющий характер предполагают значительную и кропотливую работу всего научного коллектива.

«Так как данная работа является междисциплинарной, возникает необходимость в проведении исследований в разных областях науки: биомедицине и физике. Тут возникают трудности, связанные с количеством экспериментальных исследований и сроков их реализации, с необходимостью учета наиболее значимых физико-химических свойств поверхности имплантатов, влияющих на функциональные, для проведения теоретических расчетов, — комментирует Юлия Карлагина. — Мы спланировали данный проект таким образом, чтобы, применив теорию планирования эксперимента и методы теоретического моделирования, провести подробные и детальные исследования из области физики, и уже посредством минимального количества in vitro и in vivo экспериментов подтвердить эффективность предложенных нами методов».

Перспективы

Пока что авторы проекта сконцентрированы на дентальных имплантах, но в будущем разработка может быть применена и для любых других видов имплантов: тазобедренного сустава и коленной чашечки, черепные импланты и так далее. Полученные результаты могут быть использованы для разработки доступной лазерной технологии функционализации поверхности и других медицинских изделий различного назначения, что открывает широкие перспективы внедрения не только на российском, но и на международном уровне.

Также разработанная антибактериальная биосовместимая структура может стать основой для формирования в Санкт-Петербурге промышленного производства дентальных имплантов, например, на предприятии-партнере Университета ИТМО стоматологическом фрезерном центре «ОРТОС».

В проекте используются как совсем новые подходы, так и уже существующие технологии. Так, для придания зубным имплантам более эстетического вида используется разработанная ранее технология лазерного окрашивания: за счет лазерного воздействия на поверхности титана происходит процесс окисления, приводящий к формированию интерференционного оксидного слоя. Таким образом можно контролировать цвет изделия, делая его более светлым или темным. Более того, формируемое покрытие обладает еще и бактерицидными свойствами.

Проект рассчитан на три года — финальные результаты должны быть представлены в 2022 году. Команда уже получила патент на изобретение «Способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов» и провела первые исследования.

«Мы уже начали работы, направленные на повышение интеграционного потенциала титановых имплантатов как за счет формирования биомиметического рельефа, так и путем придания бактерицидных свойств титановой поверхности, и даже получили результаты предварительных in vitro и in vivo исследований, подтверждающих, что мы движемся в правильном направлении. Разрабатываемые методы и технологии могут быть использованы для создания концепции производства персонализированных имплантатов, обладающих биосовместимыми и антибактериальными свойствами, что позволит достигнуть более высокого качества медицинской помощи в области хирургии, в частности, в стоматологии», — заключает Галина Одинцова, научный сотрудник ФЛФО, один из главных исполнителей проекта.