Российские и белорусские ученые разработали биоматериал на основе полимера и углеродных нанотрубок, который сочетает в себе высокую прочность, эластичность и совместимость с организмом человека. Его можно применять в сердечно-сосудистых имплантатах — например, искусственных клапанах сердца и сосудов, способных выдерживать длительные нагрузки, создаваемые током крови. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Nanomaterials, кратко о них рассказала пресс-служба фонда.
В современной хирургии крайне востребованы искусственные клапаны сердца и сосудистые протезы. Пульсирующий ток крови по сосудам, биение сердца, а также сокращение мышц создают длительные нагрузки (около 40 миллионов циклов в год) на все элементы сердечно-сосудистой системы, поэтому материалы для имплантатов должны обладать значительной прочностью, эластичностью и химической стабильностью, чтобы не разрушаться и не терять свою функциональность в организме человека.
При этом имплантаты также не должны вызывать иммунный ответ и отторгаться человеческим организмом. С этой точки зрения крайне перспективно использовать композиты, или многокомпонентные материалы, состоящие из углеродных нанотрубок и полимеров, поскольку они обладают всеми необходимыми свойствами. Однако структуру таких композитов довольно сложно предсказать, поскольку часто во время синтеза углеродные нанотрубки, вместо того чтобы сшиваться с полимером, образуют связи между собой. Из-за этого образуются агломераты нанотрубок, снижающие качество получаемых материалов.
Исследователи из Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (Кемерово) с коллегами из Белорусского государственного университета, Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения РАН (Кемерово), Национального исследовательского Томского политехнического университета, Кемеровского государственного университета, Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова предложили модифицировать углеродные нанотрубки алифатическими аминами — азотсодержащими органическими молекулами, — чтобы воспрепятствовать их чрезмерному сшиванию между собой. За основу композитного материала ученые взяли производное медицинского полистирола и полиизобутилена — полимер, из которого производят лабораторную посуду и компоненты для медицинских изделий. Это соединение безопасно и биосовместимо, но плохо переносит импульсные нагрузки, подобные биению сердца. Включение нанотрубок, обладающих высокой прочностью, позволяет преодолеть этот недостаток.
На первом этапе работы ученые обработали углеродные нанотрубки смесью кислот, чтобы активировать их для дальнейшего модифицирования. После их нагрели в объеме жидкого алифатического амина. В результате получились модифицированные частицы, не склонные к образованию агломератов. Затем раствор, содержащий нанотрубки, смешали с раствором полимера, обработали ультразвуком и после высушивания от растворителя получили композитные пленки с новыми уникальными свойствами.
Процесс модификации углеродных нанотрубок. Источник: Rezvova et al./Nanomaterials, 2022
Ученые исследовали микроструктуру изготовленного материала, что позволило убедиться в его однородности и отсутствии агломератов нанотрубок. Затем биологи проверили биосовместимость нанокомпозита, поместив на него клетки эндотелия человека, выстилающего в том числе и внутреннюю поверхность сосудов. Оказалось, что за трое суток эксперимента материал не снизил жизнеспособность культуры, поэтому его безопасно использовать в организме человека. Эксперимент с растяжением показал, что прочность полученного композита в несколько раз превышает прочность ткани человеческого тела, что обеспечит надежность сердечно-сосудистых имплантатов.
«Мы определили, что оптимальное содержание углеродных нанотрубок в композите для сердечно-сосудистых имплантатов составляет 1–2 %. Именно это значение обеспечивает одновременно прочность, эластичность и хорошую биосовместимость. В дальнейшем мы планируем создать опытные образцы имплантатов на основе предложенного композита и исследовать их в качестве моделей реальных медицинских изделий», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Овчаренко, заведующий лабораторией новых биоматериалов НИИ КПССЗ.