В ТПУ разработали магнитные кондуиты для восстановления поврежденного нерва

Композитные магнитные проводники (кондуиты) для регенерации периферических нервов разработали совместно с учеными ведущих российских вузов специалисты Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета (ТПУ), 12 марта сообщает пресс-служба ТПУ.

Кондуиты, имплантированные в область дефекта, помогают восстановлению нерва. Действие этих магнитных проводников основано на пьезоэлектрическом эффекте — трансформации механической деформации пьезоэлектрика в электрический ток, который в данном случае имитирует электроактивную среду поврежденного нерва, что способствует устранению дефекта.

Созданные исследовательской командой проводники биосовместимы и имеют дополнительные биоактивные свойства, в отличие от существующих на рынке аналогов.

Результаты проведенных исследований нового материала ученые представили в статьях «Выявление важной роли пьезоэлектрических полимеров в регенерации нервной ткани: Обзор», опубликованной в журнале Materials Today Bio (Q1; IF: 8,2) и «Магнитоактивные композитные трубки на основе поли (3-гидроксибутирата) и наночастиц магнетита для восстановления повреждений периферических нервов» в ACS Applied Bio Materials (Q1; IF: 4,7).

Зрелые нейроны обладают низкой регенеративной способностью, что затрудняет восстановление поврежденных нервов. В настоящее время наиболее широко для таких случаев применяется трансплантация нервов.

Однако существует ряд проблем, затрудняющих такие операции. Среди них нехватка доноров, необходимость повторной операции и заболеваемость донорского места. Всё это делает актуальной для мировой науки разработку иной эффективной терапевтической стратегии восстановления поврежденных нервов.

Для процесса восстановления мягких тканей, в том числе нервов, одним из эффективных инструментов служат электрические стимулы, для организации которых необходимы проводники, идущие к поврежденному месту.

Решая эту задачу, ученые ТПУ создали магнитные проводники на основе биосовместимого полимера поли-3-оксибутирата (ПОБ), обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В разработке участвовали специалисты МГУ им. М. В. Ломоносова и Научного центра биотехнологии РАН.

Инженер-исследователь НИЦ «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Лада Шлапакова рассказала, что высокопористая микроволокнистая структура магнитного проводника имитирует структуру внеклеточного матрикса нервов. Это обеспечивает рост нервной ткани вдоль волокон и транспортировку различных метаболитов и питательных веществ к поврежденному нерву.

«Кроме того, — продолжила Лада Шлапакова, — мы функционализировали проводник биосовместимыми наночастицами магнетита, „зашитыми“ внутри волокон. Они способны оказывать непосредственную магнитомеханическую стимуляцию нервной ткани во внешнем магнитном поле. Также в магнитном поле магнетит механически воздействует на полимер, тем самым активируя пьезоэлектрический отклик. Поэтому наши кондуиты, в отличие от имеющихся аналогов, оказывают дополнительную магнитомеханическую и электрическую стимуляцию для восстановления нерва».

Композитный магнитный проводник изготавливают в виде полой трубки с размерами и структурой, персонализированными под конкретного пациента и его травму. Этот кондуит имплантируют в место дефекта нерва, а по ходу операции в его трубку вставляют концы поврежденного нерва, который позже будет там, внутри кондуита, постепенно восстанавливаться.

Эти процессы восстановления идут благодаря таким свойствам проводника, как состав материала, микроструктура и пористость. Параллельно с восстановлением нерва кондуит в организме растворяется с образованием безопасных продуктов разложения. В результате в области прежней травмы остается только восстановленный нерв.

Биологические исследования кондуита были проведены как in vitro («в пробирке»), так и in vivo — на моделях лабораторных животных (крыс). В результате было установлено, что кондуит в низкочастотном магнитном поле способствует росту мезенхимальных стволовых и нейрон-подобных клеток крысы.

После имплантирования кондуита для терапии модулированного повреждения седалищного нерва крысы была доказана его биосовместимость. Кроме того, он выполнял и барьерную функцию, способствующую регенерации нервов.

«Электрическая стимуляция особенно актуальна для восстановления такой электрочувствительной ткани, как нервы. Нейронная сеть представляет собой сложную биоэлектрическую цепь, состоящую из множества нейронов, соединенных посредством химических и электрических синапсов. Передача сигналов в этой сети управляется электрическим полем и основана на системе электрических зарядов, нейромедиаторов и потенциалов действия. Таким образом, нейронная сеть высокочувствительна к внешним электрическим полям», — пояснил директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.

Разработчики уверены, что имплантация электроактивного биоматериала, созданного их коллективом, обеспечивает за счет воссоздание нормальной электрической среды эффективную терапию повреждений периферических нервов,

Следующий этап проекта научный коллектив посвятит усовершенствованию структуры кондуитов, ориентируя их волокна в заданном направлении так, чтобы обеспечить тем самым более точное воспроизведение морфологии натурального внеклеточного матрикса нервов и нервных волокон. Также ученые ведут исследования с целью улучшения пьезоэлектрического отклика и гидрофильности поверхности проводников.