Томские имплантаты из никелида титана впервые могут быть установлены пациенту за границей: в рамках мегагранта, возглавляемого профессором из США Алексеем Волынским, пройдут исследования для их широкого применения в мире. Рассказываем, как эта тема привлекла в Томский госуниверситет известного материаловеда и почему только в Сибири он начал гордиться родиной.
Срок службы – жизнь.
Когда внутрь человеческого организма попадает инородное тело, тут же срабатывает система распознавания «свой-чужой» и запускается процесс «изгнания» чужака. Даже вокруг маленькой занозы возникает очаг воспаления, что уж говорить об имплантатах, которыми врачи заменяют, например, фрагменты кости или суставов. Поэтому сделать их максимально биосовместимыми – задача, над которой работают ведущие коллективы материаловедов во всем мире.
Профессор кафедры инженерной механики Университета Южной Флориды, специалист в области поверхностной инженерии биоматериалов Алексей Волынский приехал в Томск руководить мегагрантом ТГУ как раз по этой теме. Он показывает несколько металлических изделий – одно шершавое, другое гладкое, третье – плетеное в виде сетки. Это могло бы быть частью кости, это – новым позвонком, это – восстановленным фрагментом сосуда или сухожилия…
– Все они сделаны из никелида титана – материала с памятью формы. Он не токсичен, как, скажем, кобальтовые сплавы. Он хорошо приживается – в отличие от полимерных изделий. Наконец, обладает уникальными механическими свойствами – его разрушить сложнее, чем любой другой материал, даже в агрессивной коррозионной среде, – говорит Алексей Волынский.
Структура имплантата задается технологией его получения. Например, высокопористый материал для замены костных тканей производится методом СВС-синтеза. За счет свойств поверхности в него легко прорастает биологическая ткань, и организм признает имплантат «своим».
Заведующая лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Екатерина Марченко добавляет: чтобы имплантат успешно функционировал в организме, он должен быть реологически совместим с биологическими тканями. То есть вести себя так же, как они. Быть таким же «выносливым».
– Сплавы, разработанные в лаборатории, сверхэластичны, они релаксируют внутренние напряжения благодаря обратимым мартенситным превращениям. Так, в экспериментах in vivo нами было показано, что пористый никелид титана выдерживает более 15 миллионов циклов изгибающей и растягивающей нагрузки, – поясняет Екатерина Марченко. –Благодаря вязкоупругому гистерезисному поведению имплантат деформируется согласованно с живыми биологическими тканями, в которые он интегрирован. Высокая циклическая выносливость позволяет имплантатам из пористого сплава никелида титана безопасно функционировать в течение жизни.
По ее словам, исследование сплавов из никелида титана в ТГУ начал Виктор Гюнтер 30 лет назад. Проведено уже множество операций на людях, например, томские хирурги устанавливали такие имплантаты пациентам, потерявшим обширные костные фрагменты из-за онкологии. А их красноярские коллеги меняли на томский материал титановые пластины в позвоночнике пациента – потому что из-за динамической нагрузки они начали разрушаться и отравлять ткани продуктами распада.
Но есть одно «но»: критерии реологической совместимости учеными пока не сформулированы, и выбор сплавов для конкретной операции производится с учетом субъективного опыта экспертов. Разработкой объективных критериев и займется коллектив физиков, материаловедов и биологов совместно с профессором Волынским.
Прорыв отечественной науки
Алексею Волынскому, как известному ученому в области материаловедения, часто пишут письма более молодые коллеги с просьбой поддержать тот или иной проект, претендующий на грант. Однажды такое письмо пришло из Томска.
– Тема интересная, у коллектива по ней было много публикаций – например, еще в 1999 году у профессора ТГУ Юрия Чумлякова выходила статья о никелиде титана в Acta Materialia, ведущем научном журнале в нашей области. И я согласился. Обычно из этого ничего не получается, но, к моему удивлению, мы выиграли правительственный мегагрант. Он очень престижный, их всего 43 в России. Я рад и благодарен, что наконец-то мои опыт и знания пригодились на родине, – говорит Алексей Волынский.
Финансирование мегагранта – 90 миллионов рублей на три года, это крупная сумма даже по американским меркам.
Одно из условий мегагранта – как раз то, что исследование возглавляет иностранный ученый с высокими показателями индекса Хирша и цитируемости, который должен проводить со своей научной группой не менее 90 дней в году. Этим летом Алексей Волынский приехал в Томск впервые. В России он не был десять лет.
– Честно говоря, я был приятно удивлен, насколько здесь хорошо – какая благоустроенная среда и вкусная еда, как приветливы сибиряки, какой высокий уровень научных исследований. Потому что люди, которые «валили из совка» (выберу такое выражение), до сих пор считают, что в России все плохо – по телевизору в Америке страну показывают только в негативном свете. Публикую фотографии в группах эмигрантов на 20 тысяч человек, так у меня даже хейтеры появились, – улыбается ученый.
Сам он – классический пример «сваливших». В 1989 году в составе группы московской английской спецшколы поехал по обмену в США. В 1994-м, уже будучи студентом Московского авиационного технологического института, так же по обмену оказался в Университете Пенсильвании. В 1996 году, когда в России, по его ощущениям, наука разваливалась, решил уехать окончательно и поступил в аспирантуру Университета Миннесоты.
– Область моих интересов находится на стыке между материаловедением и механикой. В 2000 году я защитил Ph.D.-диссертацию, посвященную адгезии (то есть сцеплению поверхностей) тонких металлических пленок к керамическим подложкам. Практику проходил в «Мотороле» – моя работа была востребована, когда все переходили с алюминиевых контактов в микропроцессорах на медные, и нужны были методики измерения адгезии. Мы разработали их в группе моего шефа Билла Гербериха, таким образом, после практики я получил место в «Мотороле», – рассказывает Алексей Волынский.
В 2003 году он перешел работать в Университет Южной Флориды на кафедру инженерной механики. А в 2010-м решил съездить на родину…
– Раз в семь лет мне положен годовой отпуск, я приехал в Москву и попытался устроиться на работу. Ничего не получилось! Меня знакомили с крутыми менеджерами из госкорпораций, они смотрели мое резюме и говорили: «У нас таких специалистов никогда не было… И не надо!». Сказал тогда себе, что больше не вернусь. А сейчас я реально горд за Россию – что здесь развиваются такие проекты и государство реально вкладывается в науку, – говорит ученый.
Есть, что сказать миру.
Алексей Волынский убежден: Россия всегда производила хорошую науку. Но для всего мира индикатором эффективности науки является, во-первых, количество научных публикаций, во-вторых, и в-главных, количество ссылок на них. По этим показателям Россия пока проигрывает – она примерно в конце мирового топ-10. А лидер – Китай.
– Первую статью в Acta Materialia я опубликовал по теме моей Ph.D.-диссертации. В 2004 году мне пришло письмо от Web of Science, что за месяц она набрала самое большое количество цитат в области материаловедения – на нее сослались 689 раз, – говорит Алексей Волынский. – Китай начал публиковать статьи в научных журналах в промышленном масштабе 15-20 лет назад. В 2020 году у него было больше статей, чем у Америки. В России этот процесс запущен лет 5-10 назад. В зарубежных журналах жесткие требования к качеству и оформлению статей, и мой 25-летний опыт публикаций в иностранной научной литературе будет к месту в Томске.
Правда, добавляет он, давать в качестве оценки ученого только количество статей – это «чистая бухгалтерия, а не реальная жизнь».
– В Америке считается нормальным, если профессор публикует две статьи в год. Себестоимость публикации одной статьи – порядка 100 тысяч долларов. У нас по мегагранту стоит план 5-7 статей в год, это много: произвести научные исследования, обработать данные, опубликовать – это сложный и продолжительный цикл.
С другой стороны, у томских ученых высокий шанс на публикации в высокорейтинговых журналах: несмотря на то, что никелид титана – достаточно старая тематика, в базе данных Web of Science по ней значится всего 300 статей. Возможно, потому, что это полукоммерческая история – исследованиями занимаются в основном промышленные компании.
– Первыми нашими статьями в рамках мегагранта будут те, которые написаны в сотрудничестве с докторами, использующими материал для реконструктивной хирургии лица (в частности, с д.м.н. ведущим хирургом-онкологом Евгением Богдановичем Топольницким из СибГМУ). Операциям предшествовали исследования на животных, и это, кстати, большой плюс российской науки: в Штатах провести их архисложно – разрешение на эксперимент с мышами в моем университете нужно ждать около двух лет, – отмечает Алексей Волынский.
Дальше, по его словам, коллектив будет проводить и публиковать фундаментальные исследования:
– Наша главная задача – описать фундаментальные принципы взаимодействия материалов и тканей. Будем разрабатывать научные критерии, по которым хирург сможет оценить, какой конкретно ткани с какими свойствами подойдет этот материал. На выходе должны получиться рекомендации для использования на основе биомеханического подобия. Это позволит разработке разойтись в практике максимально широко, и не только по России. Так, год назад в Израиле я познакомился с доктором Сэла, который восстанавливает лицо арабу, потерявшему часть лицевой кости из-за огнестрельного ранения. Два года он вставляет ему жесткие пластинки, они не приживаются, пациент мучается… Я отправил доктору нашу статью про имплантаты из никелида титана, он заинтересовался, возможно, получится сотрудничество. Это действительно мировой уровень.
Автор: Елена Тайлашева.
Источник: РИА Томск.