Углеродные нанотрубки в сочетании с полимерами помогут создать искусственные клапаны сердца

Российские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали биоматериал на основе полимера и углеродных нанотрубок, который сочетает в себе высокую прочность, эластичность и совместимость с организмом человека. Авторы предложили использовать его при создании сердечно-сосудистых имплантатов, например искусственных клапанов сердца и сосудов, способных выдерживать длительные нагрузки, создаваемые током крови. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

Согласно данным ВОЗ, сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место в списке наиболее распространенных причин смерти в мире, и их количество каждый год неуклонно растет. Поэтому в современной хирургии крайне востребованы искусственные клапаны сердца и сосудистые протезы, которые позволяют восстановить нормальную работу органов и тканей. Пульсирующий ток крови по сосудам, биение сердца, а также сокращение мышц создают длительные нагрузки (около 40 миллионов циклов в год) на все элементы сердечно-сосудистой системы, поэтому материалы для имплантатов должны обладать значительной прочностью, эластичностью и химической стабильностью, чтобы не разрушаться и не терять свою функциональность в организме человека.

Одно из наиболее важных требований — это биосовместимость, поскольку имплантаты не должны вызывать иммунный ответ и отторгаться человеческим организмом. С этой точки зрения крайне перспективно использовать композиты, или многокомпонентные материалы, состоящие из углеродных нанотрубок и полимеров, поскольку они обладают всеми необходимыми свойствами. Однако структуру таких композитов довольно сложно предсказать, поскольку часто во время синтеза углеродные нанотрубки вместо того, чтобы сшиваться с полимером, образуют связи между собой. Из-за этого образуются агломераты нанотрубок, снижающие качество получаемых материалов.

Рисунок 1. Процесс модификации углеродных нанотрубок. Источник: Rezvova et al. / Nanomaterials, 2022

Исследователи из Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (Кемерово), с коллегами из Белорусского государственного университета (Беларусь), Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения РАН (Кемерово), Национального исследовательского Томского политехнического университета (Томск), Кемеровского государственного университета (Кемерово), Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) предложили модифицировать углеродные нанотрубки алифатическими аминами — азотсодержащими органическими молекулами, — чтобы воспрепятствовать их чрезмерному сшиванию между собой. За основу композитного материала ученые взяли производное медицинского полистирола и полиизобутилена — полимер, из которого производят лабораторную посуду и компоненты для медицинских изделий. Это соединение безопасно и биосовместимо, но плохо переносит импульсные нагрузки, подобные биению сердца. Включение нанотрубок, обладающих высокой прочностью, позволяет преодолеть этот недостаток.

На первом этапе работы ученые обработали углеродные нанотрубки смесью кислот, чтобы активировать их для дальнейшего модифицирования. После их нагрели в объеме жидкого алифатического амина. В результате получились модифицированные частицы, несклонные к образованию агломератов. Затем раствор, содержащий нанотрубки, смешали с раствором полимера, обработали ультразвуком и после высушивания от растворителя получили композитные пленки с новыми уникальными свойствами.

Ученые исследовали микроструктуру изготовленного материала, что позволило убедиться в его однородности и отсутствии агломератов нанотрубок. Затем биологи проверили биосовместимость нанокомпозита, поместив на него клетки эндотелия человека, выстилающего в том числе и внутреннюю поверхность сосудов. Оказалось, что за трое суток эксперимента материал не снизил жизнеспособность культуры, поэтому его безопасно использовать в организме человека. Эксперимент с растяжением показал, что прочность полученного композита в несколько раз превышает прочность ткани человеческого тела, что обеспечит надежность сердечно-сосудистых имплантатов.

«Мы определили, что оптимальное содержание углеродных нанотрубок в композите для сердечно-сосудистых имплантатов составляет 1–2%. Именно это значение обеспечивает одновременно прочность, эластичность и хорошую биосовместимость. В дальнейшем мы планируем создать опытные образцы имплантатов на основе предложенного композита и исследовать их в качестве моделей реальных медицинских изделий», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Овчаренко, кандидат технических наук, заведующий лабораторией новых биоматериалов НИИ КПССЗ.