Разработки российских ученых помогут в реабилитации пациентов
Искусственные суставы из инновационного сплава
В медицинской практике для лечения пациентов с серьезными травмами опорно-двигательного аппарата активно применяются всевозможные импланты и эндопротезы, как правило, выполненные из металла и полимерных материалов, а также из керамики. Однако они имеют ряд недостатков и не всегда успешно приживаются в организме человека. Инновационные искусственные суставы из сплава углерода, бора и кремния создали ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) в кооперации с инженерами научно-производственного предприятия «МедИнж». Новые высокотехнологичные изделия по ряду параметров значительно превосходят зарубежные, а по отдельным характеристикам вовсе не имеют аналогов.
«Сплав, на основе которого создаются наши эндопротезы, обладает улучшенными характеристиками прочности и не вызывает отторжения у организма. Углерод, как и керамика, — биоинертный материал, кроме того, он сопротивляется износу гораздо лучше, чем аналоги. По нашим расчетам, у эндопротеза из такого материала гораздо меньше риск разрушения», — пояснил руководитель проекта, профессор ПГУ Александр Митрошин.
На основе углеродного сплава были изготовлены искусственные клапаны сердца и эндопротезы межпозвонковых дисков шейного отдела. Разработка ученых из ПГУ уже была успешно применена более чем в тысяче высокотехнологичных операций по замене межпозвонковых дисков. А созданные научным коллективом эндопротезы тазобедренного, локтевого и коленного суставов находятся в стадии получения регистрационных удостоверений.
Быстрое создание бионических протезов
Ускорить создание бионических протезов суставов или отдельных костей медикам поможет и разработанная в Липецком государственном техническом университете (ЛГТУ) технология быстрого прототипирования в области протезирования, имплантологии и регенеративной медицины.
Доцент ЛГТУ Игорь Пугачев и магистр Анастасия Азарина с помощью 3D-печати создали прототип человеческого позвонка, взяв за основу МРТ-снимки плоских срезов шейного отдела позвоночника. Они построили и отредактировали трехмерную конструкцию поверхностей органов пациента и изготовили каркасную матрицу позвонка. После этого из титана по выжигаемым моделям был отлит имплант сложной конфигурации, полностью повторяющий форму натурального позвонка. А разработанная технологическая схема «литья с поворотом формы» позволила полностью избавиться от усадочных дефектов.
«Наша технология позволяет существенно ускорить и удешевить изготовление имплантатов различных органов опорно-двигательной системы вообще и позвонков в частности. Применение в качестве материала для отливки титана и его сплавов делает изделие биосовместимым и гипоаллергенным. Такой имплантат может быть использован взамен поврежденного позвонка», — пояснил Игорь Пугачев.
Стоит отметить, что технология липецких ученых подходит и для регенеративной медицины. Если на каркас из биосовместимого пластика послойно наносить раствор коллагена пациента, протез приобретет требуемую толщину и форму. Затем его можно будет имплантировать в организм пациента.
Мягкий нейроимплант на 3D-принтере
Восстановить утерянные функции организма, включая двигательную активность, помогают инвазивные нейроимпланты, способные проводить электрический сигнал в спинной и головной мозг. Научный коллектив Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) применяет для этого способ гибридной 3D-печати нейропротезов NeuroPrint. Разработка позволит существенно ускорить и удешевить процесс производства таких устройств.
Технология уже показала свою эффективность в исследованиях на млекопитающих и рыбках данио-рерио: импланты демонстрируют высокий уровень биоинтеграции и функциональной стабильности, не уступая аналогам в работе с восстановлением двигательных функций конечностей и контролем функций мочевого пузыря. Результаты исследований опубликованы в престижном научном журнале Nature Biomedical Engineering.
Создание инвазивных нейропротезов по технологии NeuroPrint проводится в несколько этапов. Сначала в принтере из силикона создается геометрия импланта, потом на нее наносятся микрочастицы электропроводящих элементов, а в завершении поверхность изделия активизируется с помощью холодной плазмы. Количество и конфигурацию электродов можно менять, создавая нейропротезы для имплантации в ткани спинного или головного мозга, а также мышц. Весь процесс от создания проекта до получения прототипа в среднем длится около суток. Благодаря компактности оборудования и универсальности подхода в будущем изготавливать индивидуальные нейроимпланты для конкретного пациента можно будет прямо в медучреждениях.
Добавим, что с помощью NeuroPrint СПбГУ удалось напечатать мягкие имплантаты, близкие по форме и характеристикам к наружной соединительнотканной оболочке мозга. Это важное достижение, так как слишком жесткие нейропротезы, не подходящие к структуре нервной ткани, ограничивают как возможности проведения многих научных экспериментов, так и применение их в клинической практике.
«В опытах на парализованных животных электрическая стимуляция нейронных сетей эффективно восстанавливала двигательную функцию. Таким образом, технология NeuroPrint открывает новые возможности как для фундаментальных исследований центральной нервной системы, так и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах», — рассказал один из авторов технологии, заведующий лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ Павел Мусиенко.
Экзокисть для реабилитации детей с ДЦП
Улучшить характеристики мышечной активности, показателей движения, репертуара бытовых навыков у маленьких пациентов с детским церебральным параличом помогает разработка ученых Крымского федерального университета (КФУ) им. В.И. Вернадского. Для реабилитации детей научный коллектив вуза создал экзоскелет кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью. Сегодня с комплексом работают специалисты научно-клинического центра «Технологии здоровья и реабилитации» КФУ, которые выиграли грант Российского научного фонда.
Ученые используют интерфейс «Мозг-Компьютер», построенный на анализе электроэнцефалограммы, и изучают моторные альфа-ритмы над зонами, которые отвечают за моторику верхних конечностей.
По словам директора центра «Технологии здоровья и реабилитации» КФУ Елены Бирюковой, проведенные исследования уже показали, что после занятий на комплексе у детей с ДЦП меняются моторные функции рук, и значительно улучшаются когнитивные функции. В этом году работа научного коллектива посвящена изучению особенностей речи у маленьких пациентов.
«В тот момент, когда ребенок представляет движение, у него активизируются те же нейронные связи, что и в момент самого движения. У детей с ДЦП моторный паттерн не до конца сформирован, но нейронная цепь позволяет более качественно совершать движения в быту. Кроме того, происходит значительное улучшение в реабилитации моторной функции, происходит довольно сильное изменение когнитивных функций, таких как внимание, память, мышление. Также восстанавливается речь, а для наших пациентов это важнейший параметр», — добавила Елена Бирюкова.