Кости, созданные по индивидуальному проекту. Скаффолды, которые сами собой рассасываются в организме после восстановления ткани. Крошечные «нанороботы» для тераностики, способные доставить лекарство в конкретную область организма и обеспечить его адресное высвобождение. Искусственные синапсы, связывающие нейроны головного мозга и системы энергонезависимой памяти для нейроморфотропного программирования. Все это — не фантастический сюжет, а вполне осязаемая реальность.
Такими прорывными разработками занимается научная группа профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха Романа Сурменева. Исследования проводятся в том числе в сотрудничестве с Андреем Холкиным, директором Центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», созданного в рамках мегагранта Правительства РФ.
— Прогресс современной науки связан с междисциплинарным подходом. Особенно важно это при создании материалов медицинского назначения. Медики не могут сами синтезировать необходимый им материал, для этого нужны компетенции ученых-химиков, материаловедов и физиков. Мы, в свою очередь, не можем сразу апробировать материал, поскольку не можем оптимизировать свойства материала с точки зрения его биологических характеристик. То же самое с возобновляемой энергетикой и другими отраслями наук. Невозможно создать оптимальные в применении материалы без тех, кто с ними непосредственно работает.
О команде
— В нашей команде порядка 20 человек. Это физики, материаловеды, химики, биохимики, специалисты биологического профиля. Большинство из них – студенты и аспиранты, но есть и уже опытные ученые – молодые кандидаты наук. Это принципиальная позиция. Вся мировая наука делается молодежью. Молодость – тот период, когда человек наиболее активен, у него есть научный драйв и амбиции. Но важно, чтобы рядом оказались более опытные коллеги.
Молодые исследователи, желающие присоединиться к проектам группы, могут обращаться к директору научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Роману Сурменеву (surmenev@tpu.ru), адрес: проспект Ленина, 43 (корпус ТПУ №3), аудитория 118.
Об исследованиях коллектива
— Научно-исследовательский центр «Физическое материаловедение и композитные материалы» ведет перспективные междисциплинарные направления. Например, мы занимаемся разработкой и исследованием новых биодеградируемых материалов для восстановления костных дефектов. В рамках данной работы мы исследуем различные способы модифицирования поверхности материалов и моделей биомедицинских имплантатов. Это позволяет получать поверхности с необходимыми свойствами, которые определяют поведение материала в биологической среде.
Мы развиваем аддитивные технологии – технологии объемной и трехмерной печати с использованием практически любых материалов. Они позволяют получать изделия заданного размера, структуры, пористости и формы по компьютерной модели для применения в медицине, робототехнике, автомобилестроении. Наша ниша – материалы на основе различных металлов, прежде всего, для изготовления имплантатов, элементов гибкой биомедицинской электроники и робототехники.
Еще одно направление – многомасштабное моделирование различных свойств перспективных материалов. В частности, с использованием первопринципного подхода, что позволяет оптимизировать материалы уже на этапе проектирования. Это направление работы курирует старший научный сотрудник Центра, кандидат физико-математических наук Ирина Грубова.
Кроме того, наш коллектив один из немногих в России создает умные материалы с пьезо- и магнитоэлектрическими свойствами для биомедицины. У таких материалов есть два уникальных свойства. Это способность производить небольшой электрический заряд без внешнего электрического источника в результате механической деформации или нагрузки и возможность беспроводной передачи энергии при воздействии магнитных полей, которые являются безопасными для человека. Данное направление ведет старший научный сотрудник Центра, кандидат физико-математических наук Роман Чернозем в сотрудничестве с Международным научно-исследовательским центром «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» под руководством профессора Андрея Холкина.
О ключевых преимуществах пьезо- и магнитоэлектрических материалов
— Пьезо- и магнитоэлектрические материалы представляют собой вещества, состоящие из нескольких компонентов с различными физическими и химическими свойствами. Это позволяет получать материалы с улучшенными характеристиками для решения научных и практических задач, которые не под силу известным аналогам.
Суть магнитоэлектрического эффекта в следующем. Магнитоэлектрические материалы состоят из магнитострикционного компонента (ядра) и пьезоэлектрической оболочки. Когда происходит механическая деформация ядра за счет магнитного поля, то создается микронапряжение в пьезооболочке и на ее поверхности возникает электрический заряд. Под действием внешнего магнитного поля мы можем перераспределять этот поверхностный заряд, то есть менять поляризацию. Возможность изменения поляризации придает уникальные свойства таким материалам. Например, контролируемая доставка и высвобождение лекарств в организме человека неинвазивным способом, что выгодно отличает наши разработки от известных аналогов.
Наши материалы не содержат токсичных элементов, частности, свинца, что делает их биосовместимыми. Мы работаем над тем, чтобы обеспечить необходимые характеристики при отсутствии свинца, сохранить и улучшить свойства материалов путем модификации их структуры и фазового состава.
О скаффолд-технологиях
— Разработка различных видов скаффолдов – самая популярная мировая практика. Это клеточные матрицы, которые применяются для регенерации различных типов тканей и обычно используются в сочетании с биологическими носителями. Своеобразные «строительные леса» для костей и клеток. Материалом для них служат полимеры и композиты. В нашем коллективе этой темой занимается группа ведущего научного сотрудника Центра, кандидата физико-математических наук Марии Сурменевой. Их уникальная разработка – скаффолды из полиоксиаканоатов – биодеградируемых полимеров, которые производятся бактериями. Такие скаффолды абсолютно нетоксичны, растворяются в организме после образования новых костных тканей, а продукты распада выводятся из организма без побочных эффектов. Предложенная нами технология уже прошла доклинические испытания.
О наночастицах для тераностики
Наночастицы, обладающие магнитными или магнитоэлектрическими свойствами, могут выступать носителями лекарственных препаратов и использоваться как самостоятельное «лекарство». Так, их инжектирование в определенные области коры головного мозга приводят к тому, что, внешне воздействуя на электрическое поле, можно управлять поведением живого объекта – стимулировать или подавлять активность. Это связано с тем, что частицы изменяют свое зарядовое состояние, а заряд посредством электрических взаимодействий с тканями обеспечивает определенный физиологический эффект. Сейчас мы активно изучаем такой потенциал наноструктур для разработки на их основе нейростимуляторов для лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера. Эта задача — вызов для ученых по всему миру и она до сих пор не решена.
Еще одна возможность наноструктур – вызывать заданные химические и биохимические реакции на уровне клеток. То есть можно «запускать» не только регенерацию, но и обратный эффект. Это может стать действенным методом борьбы с раковыми клетками.
О перспективах исследований
В числе наших последних достижений – разработка материалов со структурой трижды периодических поверхностей минимальной энергии. Они перспективны для биомедицинских имплантатов и энергопоглощающих структур. Мы рассматриваем способы их получения методом аддитивной печати.
Еще одно перспективное направление связано с разработкой магнитоактивных кондуитов – искусственной трубчатой полости на основе пьезополимеров и магнитных наночастиц для восстановления нервной ткани. На данном этапе проводятся клеточные исследования с применением переменного магнитного поля для оценки их биосовместимости и биоактивности.
Относительно новое направление нашей работы – получение материалов и устройств, обеспечивающих взаимодействие человека и компьютера, функционирование нейронных сетей и методов обработки больших данных. Во всех этих направлениях разрабатываемые на базе научных центров ИШХБМТ материалы конкурентоспособны с мировыми аналогами. Так, пьезо- и магнитоэлектрические материалы являются необходимыми для различного рода микроэлектронных устройств, однако до настоящего времени они относительно слабо изучены в качестве материалов для искусственных синапсов и нейроморфотропного программирования. Группа под моим руководством занимается созданием устройств, имитирующих действие искусственных синапсов, которые связывают в биологическом организме отдельные нейроны. Также ведутся работы по созданию самих искусственных нейронов и систем энергонезависимой памяти. Это открывает возможности новых прорывных достижений в области искусственного интеллекта.
