Лазерная сварка биотканей

Сотрудники кафедры биомедицинских систем Национального исследовательского университета “МИЭТ” в Зеленограде развивают новое направление в области лазерной медицины, названное ими лазерной наноинженерией и связанное со сваркой биологических тканей.

С тех пор, как более пяти десятилетий назад изобретатель лазера Теодор Мейман предложил использовать лазерное излучение для работы с живой материей, ученые и врачи продвинулись далеко вперед. Спектр медицинских применений уникальных свойств лазерного излучения огромен и расширяется с каждым годом. Лазером оперируют - режут, коагулируют ткани, прожигают полости, чистят закупоренные артерии, его используют в офтальмологии, онкологии (фотодинамическая терапия), хирургии, стоматологии и косметической медицине.

В соответствии с соглашением о предоставлении субсидии от Минобрнауки в рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” они вместе с индустриальным партнером ОАО “Зеленоградский инновационно-технологический центр” должны изготовить макет аппарата для лазерной сварки органов и биотканей. Сварка будет проводиться с использованием разработанного сотрудниками МИЭТ нанокомпозитного припоя, который способствует надежному соединению краев раны без поражения соседних тканей. При этом будет происходить регенерация клеточных структур пораженной ткани, то есть ее восстановление.

Разумеется, создавать эту своеобразную альтернативу традиционной шовной технике коллектив будет не с нуля. О наработанном учеными заделе и первых итогах выполнения проекта “Лазерная нанокомпозитная сварка биологических тканей и органов человеческого организма” рассказывает руководитель проекта, главный научный сотрудник кафедры биомедицинских систем МИЭТ, профессор Виталий ­Подгаецкий (на снимке справа).

- Еще в 2007 году мы получили пионерский патент на способ лазерного наноструктурирования объемных биосовместимых полимеров, - сообщил Виталий Маркович. - Наш научный коллектив изобрел новый способ получения композиционных материалов для замены и восстановления живых тканей. Мы показали, что в результате лазерного облучения водного дисперсионного раствора альбумина (транспортного белка, входящего в состав сыворотки крови и цитоплазмы клеток человека и животных), в который введены углеродные нанотрубки, образуется объемный или пастообразный нанокомпозит, схожий с естественной межклеточной матрицей. Лазерное излучение структурирует нанотрубки в каркас, а он, в свою очередь, создает условия для самосборки и дальнейшего развития клеток биологических тканей. По сути, речь идет о нанобиоимплантате - безвредном для человека и хорошо приживающемся материале. Его не нужно извлекать из организма: чужеродная часть просто постепенно осваивается (альбумин) и выводится (нанотрубки) из организма. Но клетки организма, “запомнившие команды”, “остаются в строю”. Такой вот “эффект Чеширского кота”.

В 2010 году сотрудники кафедры зарегистрировали новый патент (он вошел в топ-100 лучших изобретений года) - уже на способ лазерной сварки биологических тканей.
Исследование возможностей лазерной сварки биологических тканей ведется в последнее время в разных странах. Признано, что этот способ устранения ран и операционных разрезов является во многих случаях наиболее эффективным. Заживление происходит быстро и качественно, не остается рубца, излучение стерилизует раневую поверхность. При лазерной сварке в области соединения тканей или органов применяют специальные припои. Они поглощают лазерное излучение, склеивая края раны и увеличивая прочность швов. Чаще всего в качестве основы для лазерных припоев выбирают водные дисперсии лазеростойкого альбумина, добавление которых обеспечивает первичное сцепление тканей.

Инновацией научного коллектива под руководством Виталия Подгаецкого стало использование в качестве припоя коагулята биосовместимой водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, который, как они ранее установили, при лазерном облучении образует прочный композит, являющийся основой для роста живой ткани. Альбумин - коммерчески доступное сырье. Разработанный учеными на его основе припой устойчив при термическом и световом воздействии, он практически не теряет своих качеств при длительном хранении на воздухе. О прочностных характеристиках шва рассказал старший научный сотрудник кафедры биомедицинских систем МИЭТ Леван Ичкитидзе (на снимке слева).

- Проводя прочностные испытания полученного при лазерной сварке шва, мы сравнивали его со сплошным биологическим материалом, результатами сварки металлов, а также сшивания (склеивания) живых тканей при стандартных медицинских операциях, - отметил Леван Павлович. - При этом заметьте, что речь идет о прочности лазерного шва на начальных этапах заживления. Через 30 дней после “сшивания” лазером образцов хрящей бычьей трахеи и свиной кожи район шва уже ничем не отличается от остальной ткани. Вначале же его прочность составляет 30-40% от прочности неповрежденного участка. Для сравнения: у разных металлов этот показатель варьируется от 15 до 60%. Мы считаем, что для биологического материала это хороший результат.

Что касается традиционных методов получения хирургических швов с помощью скобок, сшивания иглой, склеивания с помощью специальных медицинских составов, наш метод дает сравнимые результаты. Но у него есть неоспоримые преимущества: бесконтактное, дистанционное воздействие, быстрота проведения операции, автоматическая стерилизация раны. Под медицинский клей, например, обрабатываемую область необходимо обезжирить, очистить от крови. А для нас влажная поверхность - скорее плюс. Следы от лазерного шва минимальны, невооруженным глазом их не видно. Когда мы представляем свои результаты на выставках, ими особенно интересуются пластические косметические хирурги. Думаем, метод найдет широкое применение и в медицине катастроф - из-за высокой скорости обработки ран и минимального риска их инфицирования.

Благодаря поддержке от Министерства образования и науки ученые получили возможность для дальнейшей реализации своих идей. Они развивают теоретические основы метода (цельной теории взаимодействия лазерного излучения с ансамблем нанотрубок пока не существует) и исследуют разные аспекты его применения. Прежде чем приступить непосредственно к созданию портативного сварочного аппарата, им предстоит ответить еще на очень много вопросов. Например, определить наиболее эффективную температуру для проведения сварки для различных типов белка и научиться выдерживать ее с точностью до одного градуса, чтобы получить максимальную прочность соединения.

На данном этапе сотрудники МИЭТ занимаются исследованием влияния различных компонентов припоя на прочность сварных швов на клеточном уровне. Кстати, в день визита в лабораторию корреспондента “Поиска” там проходил семинар именно по этой теме, на котором докладывали свои результаты, в том числе, студенты и аспиранты, участвующие в проекте. Доцент кафедры биомедицинских систем и заместитель начальника отдела Зеленоградского инновационно-технологического центра Александр Герасименко проинформировал о том, какие успехи достигнуты в этом направлении и какие проблемы остались.

Потенциальные возможности применения наноструктурированных композитов, используемых в качестве лазерных наноприпоев, огромны. Ученые МИЭТ ведут работы по созданию имплантата связки коленного сустава на основе нанокомпозитов - также по соглашению с Минобрнауки. В планы коллектива входит регистрация в ближайшие месяцы нескольких патентов по этой теме.

Еще одно развиваемое направление - создание и исследование оптических материалов для ослабления лазерного излучения до уровня, безопасного для глаз человека и сенсоров электрооптических систем. В стадии обдумывания находится тема, связанная с использованием таких уникальных свойств получаемых лазерных нанокомпозитов, как сочетание высокой твердости (на уровне оргстекла, алюминия, железа) и экстремально малой плотности (почти как у воды).

 “Все эти работы объединяют общая и совершенно новая физика процессов, близкие методы и технические решения”, - говорит Виталий Подгаецкий, который был в числе создателей первых отечественных лазеров и положил начало исследованиям по лазерной тематике на кафедре биомедицинских систем МИЭТ.

Пока ученые бьются над созданием теории процесса лазерной сварки биотканей и совершенствованием методик, сотрудничающие с ними инженеры занимаются созданием алгоритмов работы и программного обеспечения для будущего аппарата, выбирают оптимальный вариант его конструкции. Более того, вместе с инженерами из расположенного здесь же, в Зеленограде, ОКБ “Булат” сотрудники МИЭТ уже начали обдумывать, как в перспективе быстро превратить экспериментальный макет аппарата для лазерной наносварки в промышленный образец.

На верхнем фото: Разработка "Лазерная сварка биотканей" вошла в экспозицию лучших российских достижений на выставке "Год науки Россия - ЕС 2014"

На нижнем фото: Лазер сшивает рассеченный образец бычьей трахеи

Светлана Беляева, Надежда Волчкова, Елена Зайцева

Фото предоставлено МИЭТ, poisknews.ru

• Технологии лазерной резки и сварки многократно повышают эффективность производства
• Холдинг «Швабе» разработал технологию автоматизированной лазерной сварки алюминиевых корпусов
• На RAE 2015 «Лазерный центр» представит систему лазерной сварки «Фотон Компакт»
• Разработан прототип зеркала для бесперебойной лазерной резки и сварки
• Новосибирский ученый предлагает использовать скандий для лазерной сварки алюминиевых сплавов в авиастроении
• УЧЕНЫЕ ВЛГУ РАЗРАБОТАЛИ НОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС
• Атоммаш: Наша гордость – сварщики
• В России предложили революционную технологию сварки для судостроения