медицинская физика

текст Виталий Подгаецкий доктор физико-математических наук
Александр Герасименко кандидат физико-математических наук кафедра биомедицинских систем МИЭТ
иллюстрации Александр Костенко

Лазерная сварка биотканей относится к бесшовным способам соединения тканей без их прокола и применения шовного и скобочного материала. Такие способы основаны на использовании, например, лейкопластырей, клеящих веществ, ультразвукового нагрева и т.?п. и обеспечивают герметичность раны при отсутствии сдавливания тканей и их краевого некроза. Важно также перекрытие пути проникновения бактериальной флоры в оперированную ткань. С помощью лейкопластыря обычно соединяют края небольших поверхностных или гранулирующих ран. Клеевыми композициями соединяют мягкие ткани и кости.

Ультразвуковая и лазерная сварка отличаются бесконтактным, наиболее безопасным способом соединения тканей, при попутной стерилизации раневой поверхности. Применение же контактных методов соединения тканей, в том числе с использованием клеящих составов, не исключает опасности внесения в рану токсичных составляющих и переноса вирусной инфекции. Важной особенностью лазерной сварки является локальность воздействия лазерного луча, при фокусировке которого легко достигаются миллиметровые и субмиллиметровые размеры засвечиваемой области ткани. Еще одной особенностью является адаптивная терморегуляция сварного шва и прилегающих тканей. Лазерная сварка трудно заменима при постоперационном восстановлении сплошности мельчайших хирургических объектов, таких как нервные волокна, кровеносные капилляры, семяпроводящие протоки и т.?п. [рис. 01 ].

При осуществлении лазерной сварки для прочного и надежного соединения тканей применяются биоприпои, которые наносятся на область сваривания. В состав припоев, наряду с водной основой, входит белковая составляющая. Роль биоприпоев состоит в обеспечении локального поглощения лазерного излучения и нагрева прилегающего участка ткани. Помимо этого, биоприпой обеспечивает первичное склеивание краев раны. Нагрев его лазерным излучением вызывает термическую деформацию клеток облучаемой ткани (внутренних органов, кровеносных сосудов и т.?п.), с выходом клеточного матрикса, окончательно связующего края рассеченной биоткани в виде прочного лазерного шва [рис. 02 ].

Исследования, проведенные в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" на кафедре биомедицинских систем, заложили основы нового направления в области нанотехнологии и лазерной медицины — лазерной наноинженерии. В рамках этого направления при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Министерства образования и науки Российской Федерации и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере разработаны новые лазерные методы наносварки рассеченных биологических тканей и органов [рис. 03]. Предложены и обоснованы новые способы получения объемных композитных материалов из водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок (УНТ). Помимо этого, выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов ограничения мощного лазерного излучения в нанодисперсных и нанокомпозиционных средах [рис. 04 ].

Разработанные новые способы изготовления нанобиоприпоя для лазерной сварки тканей предусматривают введение в водно-альбуминовую дисперсию концентрацией 20-30% небольшого количества (0,1-0,3 мас. %) однослойных или многослойных УНТ [рис. 05 ].

Взаимодействие лазерного излучения с ансамблем УНТ вызывает его структурирование в объеме шовного материала в виде скрепляющего нанотрубочного каркаса. Это имеет следствием увеличение прочности и надежности сварного шва на месте соединения краев раны по сравнению с использованием обычных белковых биоприпоев. Применение нанокомпозитного припоя способствует надежному соединению краев раны без поражения соседних тканей. При этом происходит регенерация клеточных структур пораженной ткани [рис. 06].

Образование под действием электрического поля лазерного излучения объемного нанотрубочного каркаса было обнаружено при исследовании 3-D-нанокомпозитов, изготовляемых в процессе испарении жидкостной компоненты водно-альбуминовой дисперсии УНТ [рис. 08]. При высокой твердости таких композиционных материалов (200-300 МПа) — на уровне и выше твердости металлов — они аномально легки, почти как вода. Причиной такой малой плотности (1200-1300?кг/м3) является высокая пористость наноматериалов.

Наличие каркаса в объеме нанокомпозита создает условия для самоорганизации клеточного материала свариваемых биотканей, которая может осуществляться без человеческого вмешательства, поддерживаясь слабыми ван-дер-ваальсовыми связями при гидрофобном взаимодействии в тканях. Подобная самоорганизация биологических макромолекул в природе, например, реализуется в фосфолипидах — основных компонентах плазмы клеточных мембран. Указанный нанокомпозиционный материал по сути представляет собой аналог естественной межклеточной матрицы.

Биологические эксперименты, проведенные с подопытными кроликами, показали возможность восстановления удаленной части хрящевой надкостницы животных при размещении в полости оперированного уха фрагментов вышеописанных нанокомпозитов. Заживление проходило без отклонений и аллергических реакций. Введение исходной водно-белковой дисперсии УНТ под кожу кроликов также не вызывало аллергических реакций. Общий анализ крови до и после введения дисперсии не показал никаких отклонений. Все это позволяло сделать вывод о биосовместимости разработанных препаратов.

Таким образом, было показано, что в результате лазерного облучения водно-альбуминовой дисперсии УНТ образуется объемный или пастообразный нанокомпозит — безвредный для человека и хорошо приживающийся материал, что создает условия для самосборки и дальнейшего развития клеток биологических тканей. Его не нужно извлекать из организма: чужеродная часть просто постепенно осваивается (альбумин) и выводится (нанотрубки) из организма. Все это характеризует новый способ получения композиционных материалов для замены и восстановления живых тканей.

В результате проводимой в МИЭТе работы созданы биосовместимые нанокомпозиционные материалы, предназначенные для лазерной сварки рассеченных органов и тканей и биологического заполнения врожденных и постоперационных полостей организма. Применение лазерных нанобиоприпоев будет способствовать ускорению проведения хирургических операций, снижению болезненных ощущений пациентов и улучшению их качества жизни в постоперационный период. Использование в качестве хирургических имплантатов объемных нанокомпозитов, полученных лазерным методом, позволит наиболее просто восстановить исходное состояние утраченной части органов человеческого организма.

В настоящее время внимание коллектива исследователей направлено на создание макета аппарата для лазерной нанокомпозитной сварки биологических тканей и органов человеческого организма и выполнение исследований по лазерной технологии конструирования нанокомпозитного имплантата связок коленного сустава по заказам Минобрнауки РФ (соглашения о предоставлении субсидий N14.575.21.0044 и N14.575.21.0089).

Рис. 01 Особенности лазерной сварки

Рис. 03 Установка лазерной сварки с адаптивной терморегуляцией биоткани

Рис. 07 Атомно-силовая и проекционная лазерная микроскопия нанотрубочного каркаса

Рис. 06 Кинетика развития клеток фибробластов на нанотрубочных композитах