Содержание Введение ................................................................................................................... 2 Биоматериалы. Графен ........................................................................................... 3 Наноматериалы ........................................................................................................ 5 Гидрогелевые материалы ....................................................................................... 7 Животные биоматериалы ..................................................................................... 10 Использование 3D-принтеров в медицине ......................................................... 15 Заключение ............................................................................................................ 18 Список литературы. .............................................................................................. 19 Введение Медицинская индустрия постоянно развивается, и одним из ключевых факторов успеха является постоянное внедрение новых материалов. Инновационные материалы в медицине играют важную роль в диагностике, лечении и реабилитации пациентов, способствуют повышению эффективности и безопасности медицинских процедур. В данном реферате будет представлен обзор некоторых новых материалов, используемых в медицине, и их влияние на современную практику здравоохранения. Актуальность темы . К началу 21века резко увеличилось число сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний. Работа, стрессы, проблемы настойчиво отвлекают нас от понимания важности состояния нашего здоровья. К тому же мы активно пользуемся благами цивилизации, которые уносят нас всё дальше от здорового образа жизни. Согласно статистическим данным за 2005 год на нашей планете умерло от онкологических заболеваний примерно около семи миллионов семисот тысяч человек. В индустриально развитых странах Запада рак занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний в перечне причин смерти и, несмотря на усилия медиков, не уступает его уже много десятилетий подряд. Считается, что программу опухолевого роста имеет любая клетка. Если учесть, что болезнь зарождается в клетке, то и спасение от неё нужно искать в излечении, восстановлении клетки. Именно по этой причине на первый план выходит наномедицина. Гипотеза. С помощью высоких технологий, таких как наномедицина и нанофармакология, можно победить болезни, которые сейчас считаются неизлечимыми. Цель работы : Изучить проблему использования нанотехнологий в медицине и фармакологии и привлечь внимание общественности к данной теме. 2 Биоматериалы. Графен Самый простой способ описать графен – это представить его в виде одного тонкого слоя графита, представляющего собой мягкий, слоистый материал, используемый в карандашном грифеле. Графит является аллотропным элементом углерода, что означает, что он обладает теми же атомами, но они расположены по-другому, что придает материалу другие свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но при этом они имеют совершенно разную природу. Интересно, что когда графен выделяют из графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Несмотря на толщину всего в один атом, графен является одним из самых прочных материалов в мире. Применение графена открывает огромные возможности в медицине. Одно из наиболее важных применений – лечение рака. Существует предположение, что наноразмерный графен может быть использован в качестве лекарственного носителя для внутриклеточной доставки противоопухолевых химиотерапевтических препаратов in vitro. До сих пор нанографен с биосовместимым покрытием из полиэтиленгликоля (ПЭГ) использовался для эффективной абляции опухолей на мышиных моделях. В дополнение к этому разрабатываемый новый микрожидкостный чип на основе оксида графена может задерживать опухолевые клетки из крови и поддерживать их рост для дальнейшего анализа. После завершения работы устройство может быть использовано для диагностики рака, а также для лечения, которое не требует биопсии, избегая дискомфорта для пациентов и риска заражения после биопсии. Основные биологические механизмы, с помощью которых раковые клетки метастазируют или распространяются в отдаленные органы, также могут быть изучены с помощью этого инновационного устройства. Одним из биомедицинских применений графена является доставка лекарств. Оксид графена, полученный путем окисления графита, впервые был представлен в качестве подходящего наноносителя для доставки лекарств в 2008 году. Большая плоская структура поверхности и обогащенные кислородсодержащие группы обеспечивают биосовместимость и растворимость, именно те свойства, которые подходят для доставки лекарств в организм. Оксид графена легко позволяет прикрепляться к различным биомолекулам. Также однослойные графеновые листы подходят для использования в качестве биосенсорного материала, поскольку его свойства включают высокую механическую прочность и теплопроводность. Графен может быть легко функционализирован для создания биосовместимой поверхности как за счет ковалентного, так и нековалентного соединения 3 малых молекул. Биосенсоры, изготовленные из графена, включают ферментативные электрохимические биосенсоры, которые работают путем иммобилизации ферментов на поверхности электрода с целью обнаружения биологических молекул. В условиях, связанных с устойчивостью к антибиотикам, разработка новых типов антибактериальных средств имеет жизненно важное значение. Ранние результаты, полученные при использовании бумаги из оксида графена, суспендированной вакуумной фильтрацией, показали антибактериальный эффект. В более недавнем исследовании был изучен основной механизм антибактериального эффекта, производимого графеном. Спектроскопические сигнатуры биомолекул, таких как нуклеиновые основания ДНК и белки, были проанализированы и сравнены между культурами Escherichia coli и Enterococcus faecalis с различными концентрациями оксида графена. Большая спектроскопическая сигнатура нуклеиновых оснований и белков, полученных из культур, обработанных оксидом графена, указывает на основной механизм антибактериального эффекта. Это связано с тем, что большие концентрации проанализированных биомолекул связаны с индуцированной гибелью бактерий. Исследование показывает, что методы, использующие графен, будут иметь важное значение в будущем при разработке новых антибактериальных средств в эпоху после антибиотиков. Также стоит отметить, что графен обладает биосовместимостью с клетками млекопитающих, необходимой для использования в качестве каркасной структуры для тканевой инженерии. Специалисты оценили целесообразность включения графена в материалы, связанные с зубными имплантатами для повышения их долговечности. Это исследование стало альтернативой решению проблемы нехватки материалов, используемых при изготовлении зубных имплантатов. Цель состояла в разработке смол и композиционных материалов, включающих в свой состав графен. По результатам исследования графен был включен в качестве материала, связанного с зубными имплантатами. Более поздние исследования направлены на поиск новых применений этого материала. Один из них, проведенный в Технологическом университете Чалмерса в Швеции, использовал графен для создания слоя защитной поверхности в зубных имплантатах. Это предотвратило прилипание к нему бактерий. Цель состояла в том, чтобы защитить пациента от инфекций, исключить применение антибиотиков и снизить риск отказа от лечения. Протезы, размещенные на зубных имплантатах, обработанных графеном, обладают большей прочностью, а также большей структурной стабильностью и гибкостью. В дополнение к тому, что он легче и гибче. Долговечность этого лечения является 4 приоритетом для всех стоматологов, специализирующихся в области имплантологии, а также для пациентов. Наноматериалы Наноматериалы – материалы и продукция, существенным компонентом, определяющим их свойства и назначение, являются входящие в их состав наночастицы. В настоящее время уникальные свойства нано- и микрокристаллических (НМК) материалов и перспективы их практического использования являются предметом многочисленных исследований. Большой интерес к этим материалам вызван тем, что их физико-механические свойства существенно отличаются от свойств обычных поликристаллов. В частности, их твердость и предел текучести в 3–5 раз выше, чем у крупнокристаллических металлов. Кроме того, установлено, что НМК металлы и сплавы обнаруживают эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности, дающей ключ к принципиально новым высокотехнологичным методам формообразования. Основные направления применения наноразмерных элементов – это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология. Именно в этих отраслях наиболее важен размерный эффект. Наиболее ценной областью применения нанотехнологий для повышения качества жизни людей является медицина. Ожидается, что такие применения станут весьма полезными для человечества. Например, будет достигнут прорыв в обнаружении, диагностике и лечении различных форм рака. По размерам наночастицы металлов стоят между молекулами фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран, и клетками. Интересно отметить, что имеется явное сходство между строением наночастиц и некоторых вирусов. Например, многие вирусы раковых опухолей, некоторые аденовирусы, вирусы герпеса, ветряной оспы и ряд других представляют собой икосаэдры; аналогичную структуру имеют и некоторые наночастицы серебра. Эти уникальные свойства наноматериалов имеют колоссальное значение в медицине и биологии. Сегодня в медицине идет активный поиск пористых материалов для костных имплантантов, которые должны быть биоактивными и прочными. Размер пор в таких материалах существенен и должен составлять около 100 мкм, чтобы кровеносные сосуды могли прорастать в имплантант. Прочность наиболее подходящих по этому параметру пористых материалов, иначе называемых «арочными или каркасными структурами» оставляет желать лучшего. Для каркасных структур на основе коллагена она составляет 0,034 МПа, а для пористых фосфатов кальция – около 5 МПа. Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – для 5 изготовления имплантантов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях). Все варианты применения нанотехнологии в медицине можно разделить на три большие группы: 1) использование наноматериалов в технологии изготовления различных изделий медицинского назначения; 2) терапевтические нанотехнологии; подходы, основанные на применении 3) диагностические наномедицинские процедуры. Наноматериалы опробованы в настоящее время и в производстве лекарственных средств, препаратов, витаминов. В частности, перспективны для лечения ряда онкологических заболеваний ферромагнитные жидкости, содержащие нанопорошки железа и никеля. Возможно также создание лекарств на основе нанопорошка железа с пролонгированным действием для лечения заболеваний кроветворных органов, по заживлению ран, язв желудка. Ферромагнитная жидкость – жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости состоят из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные наночастицы связываются с поверхностно-активным веществом, образующим защитную оболочку вокруг частицы и препятствующем их слипанию (из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил). Нанотехнологии революционизировали современную диагностику. Так, использование определенных типов наночастиц позволяет осуществлять прижизненную визуализацию отдельных патологически измененных клеток и даже молекул, являющихся маркерами распространенных заболеваний. Нанодиагностика существенно повышает чувствительность и специфичность методов распознавания биохимических и молекулярных маркеров 6 заболеваний. С использованием нанотехнологии становится возможной одновременная диагностика и терапия многих заболеваний. Гидрогелевые материалы Гидрогели применяются в разных сферах жизни довольно давно и успешно. Например, впитывающий слой одноразовых подгузников и женских прокладок состоит из частиц гидрогеля. Гелевые составляющие есть в средствах для укладки волос, в зубной пасте. Мягкие контактные линзы — тоже гидрогель. Использует этот материал и промышленность — например, для очистки отходов. Структуру гидрогеля можно в общих чертах описать как полимерную решетку или сетку, способную удерживать в своих ячейках молекулы воды. В некоторых типах гидрогеля вода может составлять до 99% объёма, в других — меньше. Это зависит от свойств веществ, входящих в состав геля. Современные материалы создаются под выполнение конкретных задач, с точными параметрами, позволяющими прогнозировать свойства и «поведение». Это особенно важно в медицине, где от точности места и времени воздействия зависит здоровье человека. И гидрогели отлично справляются с задачей. Для медицинского применения созданы, и продолжают разрабатываться различные по составу и назначению гели. Они могут быть: биосовместимыми, то есть не восприниматься организмом как нечто чужеродное, вызывающее отторжение; биоразлагаемыми или нет, что также может иметь важное значение. Полимеры, составляющие основу, могут быть как синтезированными искусственно, так и полученными из природного сырья — морских водорослей, панцирей ракообразных, коллагена и др. Сферы биомедицинского применения гидрогелей обширны и разнообразны. Гидрогелевые повязки появились еще в середине прошлого века, в пятидесятых годах. Однако разработки последнего времени позволили получать гидрогелевые материалы, обладающие самыми разными свойствами. Они могут очищать раны, что является важной составляющей успешного лечения раневых поверхностей различного происхождения — ожогов, трофических язв, пролежней и т. д. Если прежде раны очищали хирургическим путем, что причиняло пациентам боль и могло вызвать 7 кровотечение, то сегодня с задачей очищения успешно справляются гелевые повязки на водной основе. Гидрогелевые повязки и пластыри создают защитный слой, предохраняющий рану от инфицирования, а также доставляют к раневой поверхности лекарства, способствующие заживлению. Казахские ученые в 2020 году опубликовали результаты своего исследования свойств гидрогелей на основе хитозана, применяемых для лечения ран и других дефектов кожи. По мнению исследователей, этот материал отличается высокой биосовместимостью, обладает антимикробными характеристиками, а возможность модифицирования с применением других полимеров, природных или синтетических, показывает огромный потенциал гидрогеля на основе хитозана в лечении ран. В 2016 году группа исследователей из Улан-Удэ сообщала об эффективности гидрогелевых повязок на основе полигуанидинов. В результате экспериментов были полученные данные, свидетельствующие об ускорении созревания грануляционной ткани и формировании рубца при применении гидрогеля на основе полигексаметиленгуанидина, обладающего высокой антимикробной активностью. Исследователи из Курчатовского института и Российского технологического университета сообщили в 2020 году о создании нового гидрогеля на основе синтетического биосовместимого полимера с включением наночастиц диоксида титана, благодаря которому материал приобретает устойчивость к бактериям и проявляет антимикробную активность к золотистому стафилококку. А в Массачусетском технологическом университете был разработан «умный пластырь», предназначенный для наклеивания на кожу — очень липкий и эластичный, не стесняющий движений и не отклеивающийся. В пластырь встроены различные датчики, резервуары для лекарственных средств, и каналы для их введения. Лекарства могут высвобождаться в ответ на повышение температуры тела, подавать световой сигнал, если резервуары опустели. По мнению разработчиков, такая повязка может быть использована для лечения ожогов, ран, дерматологических заболеваний, причем врач сможет настраивать ее по индивидуальным характеристикам пациента, «заряжать» нужными лекарствами. А в перспективе возможно применение той же технологии и для создания имплантатов. Гидрогель применяется в офтальмологии. Способность гидрогеля удерживать растворы дает возможность использовать его для локального пролонгированного высвобождения лекарственных веществ. В 8 офтальмологии — при антиглаукомных операциях, например. Гидрогель, содержащий лекарственный препарат, служит своего рода дренажом, поставляющим в течение нескольких недель лекарство в зону операции. Ученые работают также над разработкой гидрогелей, которые могли бы использоваться в лечении заболеваний и дефектов роговицы. Однако, как сообщают томские исследователи в своей статье от 2019 года, идеальных вариантов до сих пор не создано. Существующие и применяющиеся в настоящее время гидрогели не обладают всеми необходимыми качествами: либо они недостаточно биосовместимы и вызывают отторжение со временем, либо деградируют с течением времени под действием тканевых протеаз, либо приживаются с сохранением неполной прозрачности имплантата и т. д. Однако само направление офтальмологи считают перспективным, и работы не прекращаются. В стоматологии часто возникает необходимость проведения костной пластики для устранения костного дефекта. При проведении имплантации такая потребность возникает более чем в половине случаев. Существуют различные методики наращивания костии, и применение отверждаемых гидрогелей, как одного из перспективных методов, вызывает все больший интерес у специалистов. В частности, именно этому посвящена статья коллектива авторов из московского ЦНИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, вышедшей в 2017 году в журнале «Стоматология». Китайские исследователи из Университета Сан Ят-Сен предложили применять гидрогель, созданный на основе матрикса пульпы, для восстановления самой пульпы. Применение этого материала способствует ускорению дифференциации стволовых клеток. В Университете Южной Калифорнии был разработан гидрогель, который при нанесении на эмаль поврежденного кариесом зуба помогает разрушенной ткани восстанавливаться. Над этой методикой ученые работали более 20 лет, прежде чем были получены результаты, позволяющие говорить о практическом применении. С целью уменьшения побочных действий химиотерапии применяют гидрогели в качестве носителя лекарственного средства. Обычная химиотерапия часто связана с неблагоприятными эффектами в нормальных, здоровых тканях и клетках. Для снижения токсического эффекта может применяться локальная химиотерапия, то есть доставка активного вещества непосредственно к опухоли. Гидрогели дают такую возможность. 9 Гидрогель, содержащий препарат химиотерапии, доставляется различными способами к тому месту, где необходимо воздействие, и постепенно, в течение длительного времени высвобождает активное вещество. Разработаны различные типы гелей — чувствительные к температуре, к свету, нацеленные на различные типы рака. Они могут быть как в форме пластырей — как, например, при лечении рака молочной железы или меланомы, так и в инъекционной форме. Животные биоматериалы Создание экологически чистых материалов с полезными свойствами остается одной из ключевых проблем современности. Актуальность и необходимость разработки новых биоматериалов обусловлена высоким спросом на полимерные материалы для различных сфер деятельности и, прежде всего, биомедицины. Сегодня остаются востребованными биосовмеcтимые материалы для общей и сердечно-сосудистой хирургии, для изготовления протезов кровеносных сосудов, искусственных клапанов сердца, систем искусственного и вспомогательного кровообращения, для ортопедии и стоматологии, лекарственных форм нового поколения и сорбентов. Разработка новых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма, представляет собой довольно сложную задачу. Особо востребованы специализированные биосовместимые материалы для сформировавшегося в последние годы нового направления медицинского материаловедения – клеточной и тканевой инженерии, связанного с реконструктивной хирургией и разработкой биоискусственных органов. Эти исследования реализуются на стыке химии высокомолекулярных соединений, биотехнологии, биофизики, молекулярной и клеточной биологии и медицины и включают в себя комплекс взаимосвязанных фундаментальных задач: разработку новых материалов, методов модификации и их переработки в специализированные изделия биомедицинского назначения; изучение механизма взаимодействия биоматериалов с кровью и тканями; оценку физико-химических и медикобиологических свойств биоматериалов и изделий из них; экспериментальноклиническое исследование и применение новых материалов и изделий. 10 Круг материалов, используемых в медицине, весьма широк и включает материалы природного и искусственного происхождения, среди которых – металлы, керамики, синтетические и естественные полимеры, различные композиты. Материалы, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств, получили название «биоматериалы». Несмотря на значительные успехи, достигнутые в биоматериаловедении к настоящему моменту, такие материалы все еще остродефицитны, и пока не удалось создать субстанции, полностью совместимые с живым организмом. Одно из основных требований, предъявляемых к материалам медицинского назначения – их биологическая совместимость с живым организмом. Биоматериалы определяются как материалы, которые взаимодействуют с биологическими системами в медицинских целях. Биоматериалы делятся на две основные категории: синтетические и натуральные. Синтетические материалы включают определенные материалы металлов, полимеров и керамики. Природные биоматериалы получают из нативных тканей из аутогенных (один и тот же человек), аллогенных (донор одного вида) или ксеногенных (животных) источников. В медицине отдают предпочтение применению биоматериалов из инертных материалов, так как они уменьшают реакцию с биологическими тканями, находясь с ними в контакте. Примерами могут служить металлические титановые имплантаты, используемые в эндопротезировании тазобедренного сустава, которые не реагируют химически с местной областью, или биологически инертные золотые зубные пломбы. Биосовместимость подразумевает не только взаимное «сосуществование» двух субстанций (естественной и искусственной), но и то, что искусственный материал должен выполнять функции живой материи. Биосовместимость того или иного материала определяется не только его химической и надмолекулярной структурой, но и формой, топографией поверхности, спецификой взаимодействия с окружающими тканями. Синтетические биоматериалы, используемые в сердечно-сосудистой хирургии, в основном включают в себя полимеры, металлы или комбинации обоих. Керамика используется гораздо реже в сердечных процедурах. Основными преимуществами синтетических материалов являются их прочность и долговечность, хотя их взаимодействие с организмом может вести к осложнениям. Для синтетических биоматериалов важную роль играет отсутствие токсичности, особенно если эти материалы биоразлагаемы, так как они могут высвобождать потенциально вредные побочные продукты деградации в организм. Расширенный политетрафторэтилен широко используется в сердечнососудистой хирургии в связи с простотой 11 использования этого материала. Этот материал рекомендуется для использования в общей сердечной реконструкции, изготовления васкулярных графтов и педиатрических шунтов. Его структура обеспечивает высокую прочность и устойчивость к дилатации. Химический состав способствует снижению показателей рестеноза и гемостаза, уменьшению кальцификации. Кроме того, было показано, что материал не вызывает аллергическую реакцию. Эти свойства сделали политетрафторэтилен отличным вариантом для создания шунтов, реконструкции клапанов, и материал был использован для покрытия имплантируемых приборов для того чтобы уменьшить воспаление. Однако, из-за того, что политетрафторэтилен - синтетический материал, в некоторых случаях он может вызывать отрицательную иммунную реакцию и затромбирование. В то время как синтетические материалы восстанавливают и замещают поврежденные сердечно-сосудистые ткани, они меркнут по сравнению с функциональными возможностями естественных тканей. Каждая из тканей в теле уникально оптимизирована к своей специфической системе органа, и предполагает врожденную биосовместимость. Аутологичная ткань, или ткань, собранная и используемая для одного и того же пациента. Поставка необходимых тканей и состояние здоровья пациента являются основными препятствиями для получения аутологичной ткани. Лучший выбор – аллогенные ткани или донорские ткани от организмов того же вида; у человека эти ткани называются гомографты. К сожалению, человеческие донорские ткани, необходимые для лечения сердечнососудистых заболеваний, находятся в очень ограниченном количестве, и списки людей, нуждающихся в трансплантатах сердца остаются невероятно длинными. Ксеногенные ткани животных помогли восполнить эту потребность, особенно при восстановлении тканей или замене клапанов. Иммунный ответ имеет особое значение для аллогенных и ксеногенных тканей. При аллогенных донорских тканях человека пациентом должны приниматься иммуносупрессивные препараты, но даже тогда ткань или орган все равно могут быть отвергнуты. Для устранения иммунного отторжения ксеногенных тканей, перед применением, их децеллюляризируют. Главным образом, внеклеточные материалы матрицы представляют собой каркас, состоящий из сохранившихся после децеллюляризации коллагенов и эластинов, для восстановления поврежденной области. В качестве сырья для получения подобных материалов выступают перикард, подслизистая тонкой кишки, подслизистая мочевого пузыря, глиссонова капсула печени и др. 12 Перикард давно используется в кардиохирургии для реконструкции клапана и закрытия перикарда. Ксеногенный перикард обычно получают из крупного рогатого скота, свиней и, реже, из лошадей. Ткани из этих источников имеются в больших количествах, что позволяет изготавливать на заказ изделия различной конфигураций. Перикард в большей степени состоит из волокон коллагена и имеет эластичные свойства. Перикардиальная ткань имеет следующие характеристики: гибкость, высокая биосовместимость и длительная работоспособность, низкая тромбогенность и естественная сопротивляемость инфекциям. Чтобы уменьшить вероятность неблагоприятного иммунного ответа, перикард децеллюляризируется с помощью одной из многих возможных процедур обработки. Морфология тканей и коллагеновые структуры зависят от выбранного процесса децеллюляризации. После удаления клеточного содержания, ткань сшивается, используя глутаральдегид для консервации и увеличения прочности биоматериала. Однако, известны случаи обызвествления постимплантационного трансплантата, что связывают с обработкой глутаровым альдегидом. Таким образом, в настоящее время ведется активная разработка методов снижения кальцификации материала за счет введения дополнительной стадии обработки после стабилизации глутаровым альдегидом или замены сшивающего агента. Подходы включают обработку перикарда глутаральдегидом, глутаминовой кислотой, модификацию процедуры децеллюляризации и нанопокрытие перикардиальных трансплантатов титаном для предотвращения иммунной реакции и, следовательно, кальцификации. Есть небольшие различия между перикардами, полученными из разных источников. Бычий перикард имеет более высокое содержание коллагена, чем свиной. Клапаны, изготовленные из перикарда крупного рогатого скота, показали меньшую обструкцию, чем клапаны, изготовленные из ткани перикарда свиньи, хотя оба клапана показывают аналогичные гемодинамические результаты. Ткани крупного рогатого скота и свинины не проявляли существенной разницы в степени кальцификации при различной обработке глутаральдегидом. В последние годы наблюдается значительное увеличение применения инъекционных биоматериалов для лечения инфаркта миокарда. Инъекционные материалы в основном включают в себя: гидрогели, состоящие из альгината, фибрин, хитозан, коллаген или матригель; и самособирающиеся пептиды в виде нановолокон. Эффективность этих материалов была исследована на животных моделях инфаркта миокарда. Исследования показали улучшение сердечной функции, уменьшении размера рубца, 13 увеличение толщины стенки и увеличении неоваскуляризации в области инфаркта. В наше время благодаря прогрессу в медицинской науке и технике, были созданы различные имплантируемые устройства и изделия, предназначенные для функционирования в организме, такие как системы искусственного сердца и вспомогательного кровообращения, сосудистые и клапанные протезы, офтальмологические и урологические устройства, и др. К таким устройствам предъявляются особые требования. Одной из ключевых проблем биоматериалов является их кальцификация. Под кальцификацией понимается образование кальцийсодержащих отложений на поверхности или в объеме имплантатов. Кальцификация приводит к потере функциональных свойств протезов и необходимости повторных операций. Однако, данный процесс играет положительную роль для восстановительной хирургии костных тканей, когда процесс кальцификации необходим для имплантированных конструкций (штифты, протезы суставов и др.). Но есть и негативные последствия этого процесса, они связаны с тем, что патологической кальцификации подвергаются искусственные материалы и изделия, используемые не только в сердечнососудистой хирургии, но и в офтальмологии, урологии, при операциях на брюшной полости. Различают два типа патологической кальцификации: метастатический и дистрофический. Метастатический возникает при нарушении обмена кальция в организме и при перегрузке организма кальцием. Дистрофический тип проходит без нарушения системного кальциевого обмена в поврежденных тканях, или находящихся в состоянии некроза. Второй тип часто встречается при имплантации биоматериалов в ортопедии. При повреждении, воспалении и некрозе тканей кальций и фосфор выходят из поврежденных клеток, повышая их концентрацию. 14 Использование 3D-принтеров в медицине 3D-принтеры – устройства, с помощью которых происходит изготовление объектов сразу в трех измерениях. В этом заключается их принципиальное отличие от традиционных принтеров, которые выводят информацию на плоский лист бумаги. Технология трехмерной печати построена на принципе послойного изготовления или, говоря другими словами, наращивания твердого объекта. Прежде всего, в специализированном программном обеспечении создается точная трехмерная модель нужного изделия. После этого данные, полученные в ходе моделирования, загружаются в принтер, который и создает реальный объект, основываясь на его виртуальной копии. 3D-печать играет важную роль в здравоохранении. Применение 3Dпечати стало новым этап развитие медицины. Врачи в один голос утверждают, что будущее медицины за 3D - принтерами. С появлением этой технологии стало возникать все больше и больше разработок, и это стимулирует сферу расти и развиваться. По данным исследования Grand View Research, к 2020 году объем рынка 3D-печати, связанной с медициной, будет составлять 1,1 миллиарда долларов. Причиной этого всплеска является то, что 3D-принтеры в настоящее время используются для создания протезов различных частей тела, таких, например, как уши и конечности (для страдающих параличом). Осталось совсем немного времени до того момента, когда людям не потребуется донор для того, чтобы выжить. Донорами для людей станут 3D - принтеры, и тогда настанет эра «распечатанных» людей. Давайте посмотрим, как наступает это время. Стоматологические лаборатории активно переходят на цифровые технологии. Впервые 3D-принтеры стали использовать в стоматологии, так как была ограниченная область печати. Эта технология позволила с хирургической точностью воссоздать как модель одного единственного зуба, так и всей челюсти целиком. 15 Технология трехмерной печати стремительно развивается: врачи уже научились с ее помощью быстро и точно производить качественные заменители человеческих костей. Компания Oxford Performance Materials в 2013 году напечатала новый череп для пациента, который потерял 75% своего. Материал, из которого выполнен череп — полиэфиркетонкетон, способствующий росту костей. 83-летняя женщина в Нидерландах страдала от инфекции в нижней челюсти, но из-за ее возраста 15-часовая операция по пересадке кости была бы слишком рискованной. В 2011 году компания Xilloc напечатала ей новую челюсть путем лазерного спекания титанового порошка. Процесс установки челюсти пациентке занял лишь четыре часа. Летом 2014 года во Франции компания Medicrea напечатала межпозвоночный диск для пациента с деформированным позвоночником. Новый диск отлично вписался между двумя пострадавшими позвонками. Практически одновременно китайские врачи напечатали и имплантировали позвонок 12-летнему мальчику с опухолью спинного мозга. Спасая младенца с серьезными проблемами дыхания, в 2012 году врачи с помощью ученых Мичиганского университета напечатали микроскопическую трубку для горла, позволяющую держать дыхательные пути открытыми. Инженеры компании Mobelife в 2014 году напечатали плечевую кость для бельгийской пациентки, которая полностью соответствовала суставу и не требовала удаления никаких других костей для установки. Шведскому подростку, страдавшему от врожденного порока бедренной кости, в 2012 году установили имплантат от компании Mobelife, благодаря которому он смог ходить. Австралийским ученым удалось напечатать на 3D-принтере пяточную кость, которой не хватало пациенту для полноценного передвижения. 71летний мужчина потерял свою ногу из-за раковой опухоли, и для полноценной возможности ходить ему пришлось пережить множество операций. Последним штрихом стала пяточная кость, которая завершила процесс восстановления ноги. Первоначально ученые воссоздали 3D-изображение ноги пациента, после чего, используя 3D-принтер, напечатали протез пяточной кости из титана. Важным элементом конструкции стали отверстия, с помощью которых протез крепился к ноге. Кроме того, важно было правильно интегрировать протез, чтобы не пошло отторжение ткани. В данный момент пациент уже может немного опираться на имплантированную пятку, а в ближайшем будущем он получит еще больше возможностей перемещения. Ричард Ван Ес, уроженец Южной Африки, потерял пальцы своей правой руки во время несчастного случая в столярной мастерской. Через Интернет он 16 нашел Айвана Оуэна из Вашингтона, который создал механические руки. Вместе они основали компанию под названием Good Enough Tech и разработали Robohands. Это первая роботизированная рука в мире, которая была создана с использованием 3D-печати. Компания Makerbot одолжила им два 3D-принтера, чтобы решить их проблемы с временем и ресурсами. С помощью этих принтеров из серии Replicator время, необходимое для создания Robohands, сократилось более чем в два раза, и по данным их веб-сайта, уже сегодня компания смогла помочь более 200 людям по всему миру. На сегодняшний день исследователи и ученые из компании 3D Bioprinting Solutions, расположенной в инновационном центре «Сколково», совершили прорыв в области биопечати функционирующих органов. Для начала они решили остановиться на щитовидной железе, так как у нее достаточно простое строение. В будущем они планируют создавать самые разные органы. Эксперименты с щитовидной железой – важный этап в развитии биопечати. Тем не менее, Миронов считает, что главная задача ученых – научиться печатать почки. Он подчеркивает: «Человек, который напечатает и успешно имплантирует первую почку, обязательно получит Нобелевскую премию». И это правда, учитывая, что люди чаще умирают из-за заболеваний почек, чем щитовидной железы. На данный момент ученые вынуждены печатать органы послойно из-за силы гравитации. Тем не менее, русские ученые считают, что если эту процедуру проводить в состоянии невесомости, то орган можно сформировать под воздействием особого магнитного поля, что приведет к более предсказуемым результатам. Они уже запланировали ряд тестов на борту Международной космической станции. Сердце и печень — это еще два органа, созданные с помощью 3Dпечати. Ожидается, что в ближайшие годы эта технология позволит создать еще больше частей тела человека и поможет развитию сферы здравоохранения. Такая область медицины как пластическая хирургия не осталась в стороне от новых технологий и уже сегодня активно ее использует. Турецкий пластический хирург Якуб Афшар утверждает, что является единственным эстетическим пластинным хирургом в стране, который использует в своей работе технологию 3D-печати. Раньше Афшар изготовлял глиняные слепки лиц пациентов, чтобы те могли посмотреть на себя будущих. Такой процесс, тем не менее, отнимает очень много времени, а результаты далеки от идеальных. Увидев технологии 3D-печати и сканирования в 17 действии, Авшар понял, что 3D-печать может принести ему целый ряд преимуществ. По его словам, данная технология позволяет ему создавать реалистичные модели лиц пациентов до и после операции. Происходит это следующим образом. Со своими сотрудниками создают цифровой снимок лица пациента. Затем с помощью специальной программы изготовляются детализированные модели до и после операции, в точности, отражающие эффект операции. Этот 3D-принтер профессионального класса производит компания 3D Systems. Он изготовляет объекты из белого порошка посредством СЛС технологии. Заключение Внедрение новых материалов в медицину продолжает изменять практику здравоохранения, создавая новые возможности для диагностики, лечения и реабилитации пациентов. Графен, наноматериалы, гидрогелевые материалы, животные биоматериалы, биосовместимые материалы и 3D-печать представляют лишь некоторые из новых материалов, которые уже сейчас оказывают значительное влияние на медицинскую практику, а также открывают новые перспективы для дальнейших исследований и разработок. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночины и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой "серой слизи" может покрыть всю Землю, - являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помошью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появленне. Поэтому я считаю что медицина на нано уровне будет намного эффективней чем прежняя, но применять её в качестве создання супер людей, я категорически против. Эволюция должна идти естественным путем, а ребенок обделенный этим правом будет напоминать сам работа. Мы должны использовать ее с умом там где она по настоящему необходима. Она не в коем случае не должна становится чем то вроде пластической хирургий. которую пепользуют люди у которых и так здоровый организм. 18 1. 2. 3. 4. 5. Список литературы. Биотехнология : учебник для использования в образовательных учреждениях, реализующих основные профессиональные образовательные программы высшего образования уровня специалитета, содержащих учебную дисциплину "Биотехнология" / [Колодязная Вера Анатольевна , Котова Наталия Владимировна, Самотруева Марина Александровна и др.] ; под ред. В. А. Колодязной, М. А. Самотруевой. - Москва : ГЭОТАРМедиа, 2020. - 382 с., [6] л. цв. ил. : ил. ; 21 см. - (Учебник). - Библиогр.: с. 367-368. - ISBN 978-5-97045436-7. Тактика врача-офтальмолога : практическое руководство / под редакцией В. В. Нероева. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2020. - 287 с. : ил ; 24 см. - (Тактика врача) (ФГБУ "НМИЦ ГБ им. Гельмгольца" Минздрава России рекомендует). - Библиография в тексте. - ISBN 978-5-9704-55937. Молекулярная стоматология : учебное пособие : для высшего образования уровня специалитета по направлению подготовки 31.05.03 "Стоматология" / О. О. Янушевич, Т. П. Вавилова, И. Г. Островская, Н. И. Деркачева ; М-во науки и высшего образования РФ. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2020. - 154 с., [4] л. цв. ил. : ил., табл. ; 21 см. - (Учебное пособие). - ISBN 978-5-9704-5676-7 (в пер.). Минтер, Р. М. Современные операции в хирургии : иллюстрированное руководство / Р.М. Минтер, Дж.М. Доэрти ; пер. с английского под редакцией академика РАН, профессора Ю.В. Белова. - Москва : Бином, 2017. - 392 с. : ил. - ISBN 978-5-9518-0687-1. Бакалов, В. П. Медицинская электроника: основы биотелеметрии : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. П. Бакалов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2021. — 326 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-07678-3. 19
