20:47 2020年06月02日
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人體把任何異物視為敵對的物質並且排斥它。這個屬性是免疫力的基礎,保護我們免受許多疾病的困擾。但對於恢復性醫學來說,身體的免疫反應是一個重要問題,因為它往往導致對移植物出現排斥。國立托木斯克理工大學核技術學院的科學家提出了一系列改善腫瘤學、心臟病學和整形外科學中生物相容性的解決方案。

特殊的表面
今天製造大多數移植物的單相材料不能保障再生可替換或可修復組織或器官的所有必要功能。所以現代修復醫學專注於創造模仿活性組織的多相生物材料。
由於使用多組分雜化材料,這種模仿成為可能,包括使用表面改進過的復合材料,這賦予它們特殊的性質,例如疏水性或親水性。
國立托木斯克理工大學的科學家們研究創建類似材料十多年。他們的發明中包括:用於在移植物上鍍上生物活性塗層的獨特設備,伊里扎洛夫固定器的新輻條,它幾乎將骨組織的修復時間減半;用於培養器官的基質("生物反應器"),以及鍍有納米顆粒的冠狀動脈支架(特殊框架),所述納米顆粒"破壞"動脈粥樣硬化斑塊並預防心臟病發作和中風。 

通用離子-等離子體塗層噴塗裝置
© 照片 : TPU
通用離子-等離子體塗層噴塗裝置

使用混合材料可以創建具有所需特性的表面,這些特性不僅用於移植學。應用於冠狀動脈支架的復合納米材料當被引入血管時,能夠破壞動脈粥樣硬化斑塊,並且給基質鍍上磷酸鈣塗層("生物反應器")能夠讓骨組織從細胞中生長,並且未來生長出器官。

為了創造具有改善的生物相容性的移植物,科學家通過物理化學、離子等離子體和輻射方法達到表面和結構的功能化,從而獲得原則上新的材料並修改現有的材料。

這種移植物的表面具有防腐劑,並且在必要情況下,還具有抗腫瘤特性以及改善的關節整合(移植物和骨組織之間的功能連接)。這有助於防止對移植物產生排斥、防止有毒化學反應的流動和致病組織的生長。

排斥移植物可能由於違背其與人體的免疫相容性而發生,在這種情況下會出現繼發感染。為了防止這個問題,以及擺脫由於材料選擇不當而造成的重大財務損失,國立托木斯克理工大學的研究者們與醫生一起開發了分析身體對移植物成分免疫反應的方法。
國立托木斯克理工大學魏恩貝爾格新聞科學教育中心副教授謝爾蓋·特維勒達赫列波夫表示,"免疫反應的研究在於分析對巨噬細胞材料(保護細胞,它們是血液中免疫系統的作用劑)的反應。分析應在篩選生物相容性材料的階段進行"。
磷酸鈣鈦骨
基於磷酸鈣和其他化合物的塗層使鈦移植物與真實骨骼非常相似。這能夠減少排斥次數並加速再生過程。
特維勒達赫列波夫表示,現有的移植物表面處理設備並不完全符合現代要求。所以國立托木斯克理工大學的科學家們正在開發允許使用微電弧氧化法快速鍍上生物活性塗層的新一代裝置。
研究人員還在開發用於取代骨質缺損的生物可吸收移植物技術。已開發的混合骨移植物用於使用可生物降解的聚合物和3D打印方法對顱面部區域進行重建手術。

用3D打印技術製作的復合材料植入體
© 照片 : TPU
用3D打印技術製作的復合材料植入體

移植物的核心是金屬網鋼構件和完全溶於體內的聚合物。在它們的幫助下,醫生能夠為具有顱骨、面部骨骼損傷的患者以及腫瘤患者執行最複雜的手術。
專家的計劃是生產用於恢復人體支撐運動系統功能的醫療設備,包括髖關節和脊椎手術的移植物。
預防心臟病發作和中風
動脈粥樣硬化是影響動脈的最常見慢性疾病。結締組織動脈的增殖導致其管腔變窄和心肌(心肌層)的血液供應不足。
使用特殊框架(支架)擴張受影響的血管區域的概念由介入放射學的先驅者之一查爾斯·多特爾提出,第一次手術於1986年進行。支架是由線細胞構成的薄金屬管。它被引入受影響的血管,同時擴大其縫隙。
國立托木斯克理工大學和托木斯克市場營銷中心的心臟科學研究所的科學家們合成了一種復合納米材料,它用於噴塗在冠狀動脈支架上,並且能夠破壞斑塊動脈粥樣硬化,該粥樣硬化是心臟病發作和中風的主要原因。
國立托木斯克理工大學的研究員,化學博士馬林娜·特魯索娃表示,今天添加藥物的支架被廣泛應用在醫學中,但藥物可能有副作用。
她告訴俄羅斯新聞通訊社:"動脈粥樣化每五到六年加劇一次,必須更換支架。我們的支架將"打破"動脈粥樣化,讓患者不用做新的手術"。
本發明得到了美國和歐亞大陸的專利。在臨床前研究時測試了原型冠狀動脈支架的毒性;臨床試驗應在2020年之前開始。
用於快速康復
國立托木斯克理工大學的科學家們與庫爾乾伊里扎洛夫中心的專家共同開發了具有生物活性塗層的骨內鈦和鋼移植輻條,這將使患者在治療創傷後四肢畸形方面的恢復時間縮短近兩倍。
通過空氣動力學形成或磁控濺射的方法將生物活性塗層(基於壓電碳氟塑料和羥基磷灰石的復合材料)鍍到鋼輻條上。通過微電弧氧化法將磷酸鈣塗層鍍到鈦移植物上。

帶有磁控磷酸鈣塗層的植入體
© 照片 : TPU
帶有磁控磷酸鈣塗層的植入體

謝爾蓋·特維勒達赫列波夫指出:"測試表明,使用新移植物,在35天內恢復了4釐米的骨組織,而使用經典移植物,在70天內恢復了4釐米的骨組織。同時,相比於經典移植物,新形成的骨組織密度高出2.5倍左右,更接近健康骨密度的標準"。

科學家表示,由於修復性成骨的刺激,這項技術使我們能夠在最短的時間內保證治療的積極效果,而俄羅斯仍然是骨科和創傷學的世界領導者。

試管組織
科學家們提出為再生醫學和培養人體組織創建充當生物反應器的基質,在乾細胞固定的多孔結構中能夠形成所需類型的組織 — 結締、骨骼、皮膚或心臟組織。
國立托木斯克理工大學核技術學院的等離子體混合系統實驗室研究員葉夫根尼·巴里巴索夫告訴俄羅斯新聞通訊社:"我們製作生產基質,使用超細纖維在電場的作用下形成它們"。
使用生長因子加速形成骨組織。例如,最薄的磷酸鈣塗層。

特維勒達赫列波夫解釋,"沈積在其組成中具有鈣和磷的細胞開始進入骨組織。如果將細胞簡單地移植在培養皿中,它在那裡將是流離失所,而在這裡,在基質中,它處在營養良好的"房子"中"。

科學家的研究在俄羅斯聯邦科學和高等教育部的支持下,在俄羅斯科學基金會、俄羅斯基礎研究基金會的聯邦目標計劃"俄羅斯2014-2020年科技綜合體優先方向的研究與開發"框架內進行。

國立托木斯克理工大學的開發已經通過臨床前和臨床研究。科學家的計劃包括創建植入式設備,該設備可以讀取患者的狀況指標、分析身體對某些物質的需求,並能夠有針對性地提供這些物質。

 

關鍵詞
科學, 俄羅斯
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