В России создали покрытие для сердечных насосов, которое призвано решить проблему риска образования тромбов

Процесс формирования покрытия на поверхности детали микрофлюидного устройства, имитирующего поток крови в организме

Ученые разработали покрытие из коллагена и углеродных наночастиц для отечественного аппарата вспомогательного кровообращения «Спутник» и других имплантируемых устройств. Новый материал наносится на титановые импланты, чтобы решить проблему повышенного риска образования тромбов. Также ученые разработали специальный микрофлюидный чип, который позволяет изучать свойства подобных покрытий с использованием минимального количества крови. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Московского института электронной техники (НИУ МИЭТ) совместно с коллегами из Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Сеченовского университета).

Аппараты вспомогательного кровообращения (имплантаты) используют как альтернативу трансплантации в случаях, когда ожидание пересадки органов может длиться несколько лет. Такие устройства имплантируют пациентам с терминальной стадией сердечной недостаточности, что зачастую позволяет им дожить до операции пересадки донорского сердца.

«Спутник» — единственный зарегистрированный в Российской Федерации аппарат, предназначенный для замены транспортной функции левого желудочка у пациентов с тяжелыми формами сердечной недостаточности. Он был разработан учеными НИУ МИЭТ и Сеченовского университета и имплантирован уже более чем 50 пациентам. Однако при контакте аппарата с кровью у пациента может возникнуть повышенное тромбообразование. Причина этому — невысокая гемосовместимость титановых имплантов, то есть их материал может вызывать изменения в составе крови. Это подтолкнуло авторов разработки начать поиски особого антитромбогенного покрытия, способного снизить побочные процессы и выдерживать сильный поток крови в уязвимых местах имплантатов.

В качестве такого покрытия исследователи предложили использовать слой, образованный соединением биополимера коллагена и углеродных наночастиц в виде трубок. Такой материал формируется на поверхности медицинского имплантируемого устройства методом спрей осаждения с последующим лазерным воздействием.

«Углеродные наноматериалы сравнительно недавно стали использовать для таких целей, но они уже успели отлично зарекомендовать себя в качестве основы биосовместимых функциональных покрытий. Коллаген же является важным структурным и механическим строительным белком различных биотканей, и его часто применяют как компонент тканеинженерных каркасов для восстановления структуры тканей. Известно, что коллаген может обеспечивать антикоагулянтный эффект (препятствующий образованию тромбов), однако на данный момент практически нет данных об эффекте антитромбогенности при контакте покрытия из коллагена с потоком крови. Наше исследование доказывает, что коллаген — вполне подходящий кандидат для разработки покрытия, предотвращающего образование тромбов», — рассказывает руководитель исследования, начальник лаборатории биомедицинских нанотехнологий Института биомедицинских систем МИЭТ Александр Герасименко.

Для исследования антитромбогенных и механических свойств нового покрытия было также разработано микрофлюидное устройство, которое имитирует работу полноценного аппарата вспомогательного кровообращения в организме человека и помогает ему обеспечивать контакт с модельным образцом крови. В его основе — чип с микроканалами, с помощью которого можно тестировать устойчивость и тромбогенность материала, используя при этом минимальный объем крови — не более 100 мл.

«Соединение коллагена с каркасной наноструктурой из нанотрубок в нашем покрытии улучшила его механические свойства: покрытие способно выдерживать напряжение сдвига потока крови, аналогичное реальному потоку в аппаратах вспомогательного кровообращения. Чтобы провести испытания, мы воссоздали такое же напряжение сдвига в микрофлюидном устройстве. Известно, что степень тромбообразования сильно зависит от этого параметра, именно поэтому чип с микроканалами сконструирован таким образом, чтобы выдерживать высокие напряжения сдвига без протечки. Кроме того, наше устройство позволяет обходиться малым объемом перекачиваемой жидкости и экономно расходовать кровь для многочисленных испытаний», — поясняет один из основных исследователей в команде проекта, магистрантка МИЭТ Кристина Попович.

По словам авторов, уникальность разработки заключается также в его многоразовости: чип можно использовать для испытания большого числа покрытий.

Тестирование нанокомпозитного покрытия при помощи нового устройства подтвердило, что оно подходит для сердечно-сосудистых имплантатов. Как сообщают ученые, в будущем разработанное покрытие и метод его тестирования могут найти применение как у производителей отечественных имплантируемых устройств, так и у производителей систем очистки крови и подобных аппаратов. Микрофлюидное устройство востребовано для имитации процессов, происходящих в почках, печени, семявыводящих протоках и других частях организма.

Помимо Сеченовского университета, в разработках заинтересованы производители отечественных имплантируемых устройств и систем очистки крови.

Далее авторы планируют провести исследования, которые позволят оценить физико-химические и биологические свойства покрытий при длительном контакте с кровью. Также необходимо разработать новые конструкции микрофлюидного чипа для имитации геометрически сложных областей кровотока организма, в которых устанавливают импланты.

Работа ведется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030», которая является одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты», ее результаты опубликованы в одном из международных научных изданий.