Когда мы научимся печатать человеческое сердце? Как моделируют сверхпрочные материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Главный редактор ПостНауки Андрей Бабицкий побеседовал с физиком Федором Сенатовым о материаловедении в медицине, аддитивных технологиях и моделировании новых материалов.
Биомедицина
— Я буду прав, если скажу, что почти все, что нас окружает, — это композиционные материалы? Что такое композиты?
— Не все, но очень многое. Композит сделан из матрицы и армирующего компонента. Жидкая субстанция — это матрица; то, что ее армирует и должно нести нагрузку, — армирующий компонент. Например, глина и солома — исторически один из первых композиционных материалов, из которого строились жилища.
В XX веке стал активно развиваться подход, который заключался в сочетании различных материалов в композите. Для примера приведу полимеры и керамику. У керамики больший модуль упругости. Также она более биоактивна. Полимеры могут иметь гораздо большую ударную прочность, ударную вязкость. Если сочетать керамические частички и полимер, то получается композиционный материал, который может быть одновременно с высокой ударной прочностью, но при этом с биоактивностью за счет керамики. Сочетание различных характеристик в едином материале — это подход, который развился в XX веке. Последние 10–15 лет активно развивается подход архитектурирования материалов и такой частный случай, как биомиметичность.
— Это когда вы похожи на живого человека?
— Похожи, но сделаны из разных материалов. Архитектурирование, или tailored architecting, — это подход, когда по заранее спроектированным моделям начинает воспроизводиться материал. То есть можно взять композиционный материал, который исчерпал свои возможности, и воспроизвести особую структуру на разных размерных уровнях: нано, микро, макро. За счет игры со структурой материала на разных уровнях изменяются его свойства. Это стандартная идея материаловедения.
Приведу пример использования этого подхода в медицине и расскажу о полимерном материале из полилактида. Это биорезорбируемый полимер, который в организме человека разлагается на безвредные составляющие, например молочную кислоту. Молочная кислота содержится в организме и выделяется при занятиях физкультурой. Такой материал применяется, например, в челюстно-лицевой хирургии, для временных протезов. Полилактид можно смешать с гидроксиапатитом. Наша костная ткань состоит примерно на 70% из гидроксиапатита и коллагеновых волокон. Коллаген придает костям упругость, а гидроксиапатит — жесткость. Обычно его добавляют в полимеры, чтобы увеличивать активность имплантата и чтобы он быстрее сращивался с организмом.
— Это необходимо, чтобы быстрее происходило сращивание с костями?
— Именно. Имплантат из таких материалов будет быстрее остеоинтегрироваться. Кость — это живой орган, поэтому целиком их не делают из композиционных материалов. Кость должна выполнять функции обмена веществ, через поры костей должны проходить питательные вещества. Кость из куска полимера ничего из этого делать не сможет.
Можно попытаться воспроизвести структуру костей с наноуровня до макроуровня. Настоящая нативная кость имеет сложную архитектуру. Внешние слои сплошные, армирующие, внутренние слои кости пористые, губчатые, потому что там находится костный мозг. В едином куске полимера можно настраивать характеристики и того и другого.
— А вы не хотите производить имплантаты костей, которые прочнее в 5 раз обычных?
— По поводу прочности. Существуют материалы, которые прочнее, чем кость, например титан и его сплавы. Наша компания печатала подобный имплантат для дога с остеосаркомой. После того как удалили 11-сантиметровый кусок кости, мы по компьютерной томограмме напечатали недостающий фрагмент и в его основу заложили титан, который обрастили полимерами.
Проблема традиционных прочных материалов в том, что у них модуль упругости гораздо больше, чем у натуральной кости. Допустим, у вас есть кость, дальше имплантат и опять кость. У кости меньший модуль упругости: она изгибается даже под небольшой нагрузкой. А титановый протез при такой же нагрузке еще не гнется. Получается, что нагрузка переходит на протез, а кость остается практически без нагрузки. Согласно закону Вольфа, то, что в организме человека не нагружено, становится менее прочным или атрофируется. Поэтому может произойти вторичный перелом как раз по границе «титан — кость». В идеальном случае такие протезы надо изымать.
Сейчас усилия материаловедов направлены на то, чтобы, сохранив прочность, подогнать модуль упругости под костную ткань. Для этого экспериментируют со структурой, делают титановые сплавы более пористыми, снижая модуль упругости. Но это все еще новые научные разработки: они не пошли в массу, они все дорогие, потому что штучные. В этом, кстати, заключается проблема 3D-печати: она штучная, это индивидуализированный подход, персонализированная медицина.
— Помимо справочников по константам диссоциации, вы изучаете гистологические справочники, смотрите, как что устроено в человеческом теле?
— Действительно, приходится очень много общаться с медиками, клиницистами и просто с биологами, которые изучают взаимодействие материалов с клетками. Иначе нельзя, потому что сейчас мир междисциплинарный, все инновации рождаются именно в междисциплинарной области. Когда мы становимся, например, биоматериаловедами, мы объединяем медицину, биологию, классическое материаловедение.
— Среди всех тканей и органов, которые вы увидели и которые обсуждали с коллегами, какой вам кажется главным инженерным шедевром?
— Весь наш организм крут. Пожилые люди и спортсмены сталкиваются с проблемой износа суставов. Хрящевая ткань в них не регенерирует так же, как кость, поэтому применяют эндопротезы суставов. Они делаются из сверхвысокомолекулярного полиэтилена — материала, обладающего высокой износостойкостью. Казалось бы, мы должны уже делать синтетические материалы лучше, чем природные, но пока это не так. Мы проводили сравнение: брали реальный и искусственный суставы и сравнивали их по износостойкости, по коэффициенту трения. Наш природный хрящ так устроен, что количество жидкости, выделяемой в суставе, регулируется в зависимости от нагрузки. На искусственном материале мы такое сделать не можем. А значит, могу дать только совет: беречь суставы и хрящи, потому что пока искусственные материалы не решат проблему полностью.
Еще один прекрасный с точки зрения инженерии орган — мозг. Это крайне сложная структура. Сейчас много всего научились печатать с помощью 3D-печати, в том числе отдельные части органов, мягкие органы, в частности небольшое сердце. Но не мозг: никто еще не смог дойти до такой сложности. Это, наверное, святой Грааль для биоматериаловедения.
Перспективы биотехнологий и создание материалов
— А какие мягкие ткани и органы вы можете поменять?
— Для замены мягких тканей необходима комбинация аддитивных технологий типа 3D-печати и клеточной инженерии. Сейчас создаются клеточно-инженерные конструкции и как следующий этап — тканеинженерные конструкции.
Клеточно-инженерные конструкции состоят из скаффолда — каркаса, который был создан из биосовместимого материала. Этот каркас обращивают клетками пациента, взятыми из костного мозга. Летом 2019 года мы установили первый в России клеточно-инженерный имплантат коту с остеосаркомой.
Следующий этап развития — тканеинженерные конструкции. Например, у человека нет уха. Берете каркас в форме уха и обращиваете его клетками или сразу помещаете под кожу человека, например в руку. Такие операции уже проводились. Под кожей каркас уха обращивается тканями самого человека, то есть это уже не клеточно-инженерная конструкция, а тканеинженерная конструкция. Когда конструкция из руки вынимается, она несет в себе соединительные ткани пациента. Я думаю, что будущее за такими технологиями.
— Как придумывают новые материалы? Моделируют в компьютере?
— Верно, свойства и структура новых материалов моделируются на суперкомпьютерах. Наши коллеги из МИСиС с помощью компьютерных моделирований предсказали, что есть структуры с железом внутри, которые находятся ближе к ядру Земли. При гигантских давлениях и температуре формируется совершенно новая структура материала. Оказалось, что, скорее всего, предсказания правильные, и дальше идет цепочка перехода от теоретических изысканий к практическим вещам.
Также можно моделировать материалы с помощью нейросетей. Например, вы знаете, что эпоксидка обладает определенной прочностью. Если в нее засунуть углеволокно под разными углами, прочность возрастет. Нейросеть может взять несколько прочностей и предсказать, как та или иная характеристика изменит свойства материалов. С довольно большой точностью можно предсказывать совершенно новые композиционные, гибридные материалы.
— Я еще с детства знал слова «эпоксидка», «титан», «керамика», а сейчас появились совсем новые вещи и материалы?
— Химик-материаловед может руководствоваться таблицей Менделеева. Вы знаете, какими параметрами заданы те или иные химические элементы. Соответственно, можно предсказывать, как они будут себя вести, когда вы создаете новые материалы из атомов и молекул. На суперкомпьютерах вы прорабатываете возможные варианты расположения атомов и комбинаций и смотрите, какое новое вещество получилось. Сейчас этим занимаются некоторые группы, в том числе группа Артема Оганова в Москве.
— Для конкретных инженерных задач вы используете то, что изобретено давно?
— Для реальных инженерных задач мы используем материалы, которые часто сделаны давно, но путем комбинации, добавления в них других известных материалов либо просто химических элементов. Путем легирования, допирования, химической модификации можно существенно менять их характеристики. Хороший пример — полиэтилен в виде пакетика. С точки зрения инженерных задач можно взять полиэтилен и менять его структуру так, чтобы он становился очень прочным. Обычные полиэтиленовые пакеты непрочные, потому что состоят из достаточно коротких молекул. Но если вы возьмете очень длинные нити и попытаетесь свернуть их в клубочек, то будет сложно выдернуть единичные нити из большого клубка, потому что они сильно перепутаны. Это как наушники в кармане, которые сами запутываются. Получается, если мы возьмем молекулы и сделаем их длиннее, такой полиэтилен станет называться «сверхвысокомолекулярный полиэтилен», который применяется в эндопротезировании суставов.
