Известно, что практически каждый человек сталкивается с бытовыми или спортивными травмами, в результате которых происходит повреждение связок суставов. Связки представляют собой волокна из плотной соединительной ткани, повреждения которых в течение жизни самостоятельно почти не восстанавливаются. Социально значимым заболеванием является разрыв передней крестообразной связки коленного сустава. По данным российских медицинских учреждений частота повреждений передней крестообразной связки составляет один случай на 200 человек, при этом большинство пациентов – активные и трудоспособные люди в возрасте от 16 до 45 лет. На фоне повреждения связок развиваются сопутствующие заболевания, такие как нестабильность сустава, синовит, гонартроз, которые могут привести к инвалидности. Для лечения разрыва связок необходимо провести артроскопическую пластику коленного сустава, т.е. осуществить полную замену порванной связки. Для этого необходимо сформировать костные каналы в бедренной и большеберцовой костях и соединить их трансплантатом или имплантатом связки. Могут использоваться аутотрансплантаты (фрагменты тканей самого пациента), аллотрансплантаты (фрагменты тканей доноров, в том числе животных), а также искусственные имплантаты. Применение аутотрансплантатов является наиболее эффективным решением, однако, для их получения нужно забирать ткань из другой части тела, нанося дополнительную травму. При пересадке аллотрансплантатов существует большая вероятность отторжения или передачи инфекций пациенту от донора. Таким образом, будущее замены поврежденных связок за синтетическими материалами. Для изготовления искусственных связок используются полимерные нити, которые заплетаются определенным образом в волокна. Одной из важных причин неудовлетворительных результатов оперативного лечения повреждений связок является плохая биологическая интеграция стенки костного канала с такими имплантатами. Это происходит из-за того, что механические характеристики волокон имплантата превосходят прочность костной ткани канала, в котором он фиксируется. В связи с этим существует проблема разрушения костного канала, особенно в первое время после проведения операции. Кроме этого, применяемые для изготовления связок полимеры представляют собой гидрофобные и химически инертные материалы с низкими биологическими свойствами, которые тяжело приживаются в костном канале.

Для преодоления указанных выше проблем российскими учеными разработан новый состав и метод формирования покрытия для полимерных волокон связки. В разработке технологии приняли участие представители Саратовского университета, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ), Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Сеченовский университет), Института нанотехнологий микроэлектроники РАН, Московского областного научно-исследовательского клинического института имени М. Ф. Владимирского, Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева, Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Научно-производственный комплекс «Технологический центр». Созданное покрытие представляет собой каркасную структуру из углеродных нанотрубок, которая сформирована инфракрасным излучением в матрице из коллагена. Перед тем как приступить к изготовлению покрытия были проведены объемные теоретические исследования, позволившие подобрать нанотрубки и молекулы белков с необходимыми параметрами, которые обеспечат энергетически эффективный состав покрытия. Эти исследования проводились научным коллективом профессора О.Е. Глуховой с применением молекулярной динамики и квантово-механического метода функционала плотности в приближении сильной связи с самосогласованным зарядом SCC DFTB. Результаты компьютерных исследований позволили установить оптимальную температуру и время для образования равновесных конфигураций комплексов на основе одностенных углеродных нанотрубок и коллагена. Выбранные нанотрубки имеют диаметр около 1,5 нанометров и позволяют сформировать каркасную структуру с высоким разрешением. За счет функциональных химических групп нанотрубок была достигнута высокая гидрофильность покрытия, которая значительно превосходит гидрофильность полимерных волокон и покрытия из чистого коллагена. Благодаря этому синтетические связки с нанопокрытием обеспечили нормальный уровень гемолиза крови. Т.е. при контакте нанопокрытия с кровью не происходит разрушения оболочек эритроцитов выше естественного уровня. В исследованиях показано, что покрытие способно к биоразложению под воздействием жидкостей организма. При этом в нем происходят структурные изменения, а именно увеличивается количество пор и их размер. Это необходимо для прорастания клеток, кровеносных сосудов и нервных волокон в структуру покрытия для обеспечения лучшей интеграции имплантата с окружающими тканями.

Апробация связок с нанопокрытием была проведена на лабораторных животных. Успех реконструкции связок суставов зависит от эффективности заживления костного канала и фиксации искусственной связки в нем уже через несколько месяцев после имплантации. Ученые показали, что разработанные связки с нанопокрытием обеспечивают скорейший рост костной и плотной соединительной тканей в канале в течение первых 6 месяцев после операции. За счет этого удалось достичь плотной фиксации и полного приживления синтетической связки с нанопокрытием по сравнению с имплантатом из традиционных полимерных волокон, которые обычно используют ортопеды. В результате исследований был определен важный механизм взаимодействия покрытия с биотканями. Особенность механизма заключалась в появлении вокруг синтетической связки с нанопокрытием жидкой среды, в которой изначально прорастала рыхля ретикулярная ткань. Далее она замещалась на плотные коллагеновые волокна, которые в свою очередь замещались костью. Важность надежной интеграции связки в костном канале обусловлена тем, что естественное соединение связки с костью представляет собой высоко специализированные и организованные структуры, которые передают механическую нагрузку от мягких тканей к кости.

Таким образом, применение разработанного имплантата связки сустава с нанопокрытием позволит достичь полного и скорейшего послеоперационного восстановления пациента.

Результаты совместной работы ученых СГУ с рядом ведущих научных организаций Российской Федерации опубликованы в высокорейтинговом журнале International Journal of Molecular Sciences издательства MDPI. Сразу же после появления на сайте журнала статья Frame Coating of Single-Walled Carbon Nanotubes in Collagen on PET Fibers for Artificial Joint Ligaments вызвала живой интерес у аудитории читателей журнала. За первые несколько дней своего пребывания статья уже собрала 250 просмотров и более 100 скачиваний. 

Рис. 1. Результаты молекулярно-динамического исследования процесса формирования равновесной конфигурации комплекса одностенные углеродные нанотрубки/ коллаген.

Рис. 2. Статистика просмотров и скачиваний статьи Frame Coating of Single-Walled Carbon Nanotubes in Collagen on PET Fibers for Artificial Joint Ligaments, взятая с официального сайта журнала International Journal of Molecular Sciences издательства MDPI.