Российским ученым впервые удалось вырастить фрагменты костной структуры в космосе в условиях невесомости. В ходе экспериментов на МКС были изготовлены образцы ткани из кальций-фосфатной керамики, которые заселили живыми клетками. В настоящее время их всесторонне изучают на Земле. В будущем технология позволит создавать костные импланты для пересадки космонавтам, находящимся в дальних межпланетных экспедициях.
Орбитальная керамика
При пилотируемых полетах на Марс или работах на лунной базе космонавты длительное время будут находиться в изоляции. В таких условиях оказать им специализированную медицинскую помощь проблематично. По мнению экспертов, необходимо создавать новые средства космической медицины, в том числе для формирования тканей организма в условиях невесомости. В будущем их можно будет пересадить космонавтам, если они заболеют или получат травму.
Российские ученые вплотную приблизились к решению этой задачи в отношении костей скелета, проведя соответствующие эксперименты на МКС.
— В исследовании мы используем биосовместимые материалы на основе кальций-фосфатной керамики, которые по своему составу практически идентичны неорганической составляющей настоящей кости — она состоит из схожего набора веществ, — рассказал директор Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН Владимир Комлев. — Уникальные свойства разработки достигаются за счет самоорганизации материала при физиологических температурах (близки к 36,6ºС. — «Известия»).
В настоящее время ученым удалось решить сложную задачу обработки материала с помощью биофабрикационных технологий, которые подразумевают искусственное создание биологических объектов. Его первая партия была запущена на МКС 22 августа 2019 года — космонавты в ходе эксперимента использовали биопринтер «Орган.Авт», позволяющий осуществлять 3D-сборку тканевых конструкций.
Инновационный прибор работает по технологии магнитной левитации в невесомости, при которой объект создается не послойно, как в обычных 3D-принтерах, а сразу со всех сторон — по принципу лепки снежка.
— С помощью такого способа производства космонавтам удалось сформировать из керамических частиц фрагмент костной ткани сфероидной формы. После чего фрагменты начали взаимодействовать друг с другом, образуя устойчивые химические связи, — пояснил Владимир Комлев. — Затем по поверхности сфероида равномерно распределили живые остеобразующие клетки, которые в дальнейшем сформировали тканеинженерную конструкцию.
2 октября 2019 года образцы успешно добрались до Земли на спускаемом аппарате, сохранив свою целостность и свойства. В настоящее время их подробно исследуют ученые.
В НИТУ «МИСиС» подтвердили актуальность технологии для производства медицинских изделий.
— Используемый учеными материал обладает высокой биологической активностью, что в перспективе позволит создавать костную ткань за минимальный промежуток времени, — пояснил научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Федор Сенатов. — Однако по сравнению с пластиковыми и металлическими аналогами керамика является более хрупкой основой, использование которой в ряде случаев может потребовать дополнительного упрочнения импланта.
Геометрия звука
Эксперименты по выращиванию тканей на орбите продолжат. В керамический состав планируют добавить стволовые клетки с ДНК человека — с их помощью структура будет нести в себе биоинформацию пациента, что улучшит приживаемость имплантов в организме. Кроме того, ученые планируют постепенно усложнять форму выращиваемых костей, приближая ее к характеристикам биологического оригинала.
— Впоследствии мы собираемся усложнить геометрию создаваемых изделий, для чего добавим к базовому воздействию принтера звуковое излучение, которое будет работать вместе с магнитными волнами, — отметил соучредитель и управляющий партнер компании 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани. — Это позволит создавать трубчатые и ветвящиеся объекты, которые по своей форме будут соответствовать костям и сосудам человека.
Также специалисты отметили научную ценность эксперимента.
— Печать костной ткани из керамических частиц вместе с биоматериалами в условиях невесомости была проведена впервые в мире, — рассказал Федор Сенатов. — Таким образом, в ходе изучения получившихся образцов могут быть сделаны значимые фундаментальные открытия, которые повлияют на развитие аддитивного производства в целом.
В перспективе новая технология позволит выращивать костные импланты для космонавтов и проводить операции по их трансплантации без необходимости возвращаться на Землю.