«Костоправ» в 3D-формате. Челябинские ученые придумали, как вырастить кости с помощью высоких технологий

Сейчас, если, например, человек попал в аварию, восстановление утраченных фрагментов костяка, особенно в суставах, не всегда проходит удачно. Приходится делать много операций, применять импортные имплантаты, которые нередко отторгаются организмом. Этой проблемой озаботились челябинские ученые, и их ноу-хау по восстановлению костных тканей при помощи керамических аугментов, изготовленных на 3D-принтере, вызвало большой интерес на прошедшей в Челябинске презентации стартапов по отбору резидентов «Сколково».

Что даст «костный проект» для нашей медицины? Об этом — разговор с одним из его авторов, конструктором-изобретателем Александром Овчинниковым.

От ракет — к медицине

— Почему вы вдруг заинтересовались медицинской темой?

— Вообще-то наша творческая группа (кроме меня это мои друзья и коллеги по научному цеху Сергей Ромашко, Константин Мезингер, Игорь Гажало) раньше создавала инновационные продукты для нефтегазовой и оборонной промышленности. Сотрудничали с «Уралмашем», Государственным ракетным центром. Участвовали в проекте «Русь-М» по созданию ракетоносителей среднего и тяжелого классов. Для завода «Полет» выполняли прочностные расчеты радиолокационной станции, для «Метрана» проектировали измерительные мембраны датчиков давления...

Но нас всегда интересовали проблемы медицины, отечественный арсенал которой пока отстает от европейских стандартов.

— Но ведь в свое время конструктор Илизаров в соседнем Кургане придумал альтернативу гипсу — аппарат для сращивания костей, не имевший аналогов даже за рубежом...

— Это так. Но мы и не соперничаем с Курганом. Аппарат Илизарова разработан в 50-х годах и до сих пор почти не изменился. У аппаратов такого класса пока нет конкурентов, и что-то новое сможет предложить только фундаментальная наука, а мы — прикладная. Мы разработали немного другой аппарат — стержневой, в отличие от спицевого илизаровского. Аналоги у него, конечно, есть, но не без недостатков. У нас родилась идея создать свой аппарат, лишенный их. На основе техзадания, составленного вместе с ортопедами, мы разработали и изготовили первый образец — «Луч-1», который весит менее 300 граммов и устанавливается снаружи на поврежденную конечность.

В его конструкции мы применили ряд инноваций, увеличивающих эффективность работы врача. К примеру, использовали в конструкции шаровые шарниры, червячно-реечный механизм, ползун.

Поставили и дистрактор для натяжения связок: если кость срастается не так, как надо, его можно «подкрутить» и скорректировать восстановление ткани. Ноу-хау — в перепрофилировании рабочих узлов и их совмещение в одном медаппарате.

«Луч» против переломов

— А опробовали ли ваше изобретение?

— Уже проводятся клинические испытания «Луча» в челябинской горбольнице № 9, ставшей своего рода экспериментальной площадкой для обкатки наших ноу-хау. Аппарат опробован на пяти пациентах с переломами костей лучезапястного сустава — и лечение прошло быстро и качественно, без осложнений.

Мы подали заявку на получение патента. Если аппарат признают изобретением, внеся коррективы по пожеланиям медиков, направим его на госиспытания, сертификацию.

— Но, видимо, и он небезупречен?

— Первый образец изготовлен из нержавейки, а это недорогой, но не самый лучший материал. Сталь достаточно тяжелая, к тому же не рентгенопрозрачная. Поэтому разрабатываем его «преемника» — «Луч-2», на который в рамках госпрограммы «Старт» фонда Бортника мы направили заявку на получение гранта. Этот аппарат будет еще легче, менее 200 граммов, и гораздо удобнее в эксплуатации. Рассматриваем два материала: титан для трущихся элементов и карбоновый композит для силового каркаса.

Отторжения нет!

— На защите стартапов для «Сколково» экспертов заинтересовал другой ваш «костный» проект...

— Это разрабатываемая нами технология восстановления костных тканей при помощи керамических аугментов — искусственных заменителей утраченных фрагментов костяка. Порой пострадавшим в авариях или при лечении заболеваний, поражающих кости, необходимо не просто фиксировать их отломки, но и замещать утраченные участки. Мы предлагаем развитие концепции тканевой инженерии, которая предполагает не замещение, а регенерацию костных тканей. Организм сам может восстанавливать поврежденную костную ткань, если для этого созданы условия: имеется каркас-матрикс, на котором происходит наращивание ткани, и необходимые стимулы для остеогенеза.

— Для восстановления кости нужен какой-то особенный материал?

— Аугмент — это своеобразная матрица для прорастания костной ткани. Он имеет пористую структуру, которая помогает сращиванию. При этом он должен обладать такими свойствами, как остеокондуктивность — когда кость прорастает внутрь трансплантата, и остеоиндуктивность — для стимулирования образования костной ткани.

Материал, который мы предлагаем, — пористая фосфатно-кальциевая керамика — хорошо известен в медицине, по химсоставу и структуре очень близок к костной ткани и не отторгается организмом. Он производится либо переработкой костей крупного рогатого скота, либо химическим путем из минерального сырья. «Синтетика» уже применяется для изготовления зубных протезов, а в «костной сфере» пока ведутся научные разработки. Такие попытки предпринимались в курганском институте ортопедии Илизарова, но массового применения, насколько я знаю, керамика не нашла.

Имплантат «из принтера»

— Но вы не ограничитесь одной теорией?

— Вовсе нет. Идею провести исследования и наладить производство заменителей костной ткани высказал наш знакомый врач-ортопед из областной больницы, и мы ухватились за нее. В мире уже есть аналоги — танталовые, титановые аугменты, из металла с напылением, с использованием синтетических покрытий.

Мы же пошли по другому пути — создания близкого по составу к кости фосфатно-кальциевого материала из природного сырья — гидроксиапатита. Такая биосовместимая керамика не будет отторгаться организмом и послужит матрицей для прорастания костей.

— А где будете брать сырье?

— Поначалу планируем закупать порошок в готовом виде, а в перспективе— изготавливать сами. Из него будем печатать керамические фрагменты кости на 3D-принтере. Но оборудование для производства стоит больших денег, и мы проектируем собственные образцы. Например, принтер для трехмерной печати или печь для термообработки.

 Изотопы против рака

— Но медицина — это не только кости... Есть ли и другие идеи, как наука может помочь модернизации здравоохранения?

— Помочь не только можем, но и хотим! Но мы представляем прикладную науку, а чтобы решить какую-то проблему, нужно ее сперва выявить. Поэтому сейчас мы занимаемся поиском заинтересованных лиц. Это не только врачи, но и поставщики медоборудования. На одном из таких предприятий, к примеру, мы узнали о проблеме импортозамещения сосудов для слаборадиоактивных контрастов, применяющихся при обнаружении раковых заболеваний на ранних стадиях. Такие емкости в России не изготавливают, а импортные очень дороги. Чтобы спасти жизнь тысячам людей, нужно наладить производство отечественных аналогов. Мы разработали конструкторскую документацию, наладили связи с поставщиками комплектующих в Челябинске, но все затормозилось из-за нехватки средств на подготовку производства.

Планы у нас большие: в перспективе хотели бы заняться и изготовлением аппаратов наружной фиксации голеностопных, тазобедренных суставов, берцовой кости, ключицы...

— Но все это стоит немалых денег...

— Это и сдерживает запуск разработок «на поток». На презентации «Сколково» мы представили наш проект, рассказали о его выгодах для медицины. Москвичи нас поддержали, но заявили, что могут помочь с финансированием лишь на конечном этапе, когда уже есть опытный образец, который нужно запустить в серию. Поэтому мы ищем потенциальных инвесторов, возможно, придется брать кредиты для продолжения исследований, создания экспериментального производства. Правда, у нас есть свой мини-цех, но там ведем только сборку агрегатов, а мехобработку приходится заказывать на стороне.

Хочу добавить, что мы не просим «безвозмездной помощи» у государства или у кого-либо и предлагаем потенциальным партнерам равноценное сотрудничество. Наше ноу-хау еще нуждается в доработке, но, по мнению экспертов, преимуществ гораздо больше. Такие высокие технологии очень нужны нашей медицине, людям, получившим травмы. И мы не остановимся на полдороге, а проекты, за которые беремся, будем доводить до «клинической стадии», до человека.