Изготовление имплантатов и дезинфекция замкнутых помещений: об исследованиях участников НОЦ в сфере медицины

Российские ученые создают систему мониторинга и оптимизации внутренней среды замкнутых помещений, восстанавливают функции кисти руки при частичной или полной ампутации, а также разрабатывают дентальные имплантаты из наноструктурного титана. Об исследованиях участников научно-образовательных центров мирового уровня (НОЦ), созданных в рамках нацпроекта «Наука и университеты», — в нашем материале.

«Эдем» на страже здоровья

«Эдем» — это система мониторинга и оптимизации внутренней среды замкнутых помещений. Использовать ее можно для снижения вероятности распространения заболеваний в условиях эпидемий и для создания комфортной, профилактирующей заболевания среды в обычное время. Разработанный участниками Нижегородского НОЦ «Техноплатформа-2035» программно-аппаратный комплекс может быть использован как в общественных, так и жилых зданиях (торговых центрах, офисных зданиях, коттеджах, квартирах и т. п.). «Эдем» позволяет регулировать температуру воздуха, влажность, снижать запыленность, концентрацию углекислого газа и агрессивных микроорганизмов в воздухе и на поверхностях.

В отличие от аналогов, использующих для модификации внутренней среды помещений почти всегда только технические средства (кондиционеры, увлажнители, проветриватели, УФ-рециркуляторы и т. п.), «Эдем» — биотехническая система. Она создает внутреннюю среду помещений одновременно как с использованием традиционных технических средств, так и с помощью биологических средств — растений и микроорганизмов.

Управляемое использование биологических средств в системе «Эдем» осуществляется с помощью роботизированных активных фитостен, фильтрующих воздух через листву и корневую систему растений и выделяющих в дезинфицирующие помещения летучие органические соединения, а также с помощью распылителей пробиотиков, влияющих на микробиоту помещений за счет внесения в нее безопасных для человека, но губительных для патогенов микроорганизмов.

«Эдем» — сетевая система. По словам руководителя проекта, заведующего лабораторией физических основ и технологий беспроводной связи радиофизического факультета ННГУ имени Н. И. Лобачевского Алексея Умнова, управление внутренней средой помещений возможно как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Ручной режим реализуется с помощью создаваемых на экране компьютера виртуальных приборных панелей, отображающих для человека данные о значениях параметров внутренней среды в виде графиков, таблиц, стрелочных индикаторов, визуальных средств и содержащих различные кнопки, поля ввода числовых значений, чек-боксов, визуальных элементов для включения/выключения различных устройств и переключения режимов их работы с помощью клавиатуры и компьютерной мыши.

В автоматическом режиме пользователь задает на приборной панели желаемые параметры среды, которые поддерживаются алгоритмом за счет механизмов обратной связи и/или заданного расписания работы отдельных влияющих на внутреннюю среду устройств. Например, дезинфекция помещений с помощью УФ-излучателей проводится по заданному расписанию, а поддержание оптимальных значений влажности и температуры воздуха — с помощью увлажнителей и кондиционеров, включаемых на основе данных, поступающих в систему с соответствующих датчиков.

Проект реализуется при содействии Центра трансфера технологий ННГУ имени Н. И. Лобачевского. Система уже установлена на территории АО «Технопарк «Саров» (г. Саров, Нижегородская область) и в лаборатории Нижегородского НИИ гигиены и профпатологии Роспотребнадзора для проверки научных принципов и технологий системы управления.

Реконструктивная хирургия: улучшение качества жизни

До 20 % российского рынка реконструктивной хирургии и имплантации может занять Уральский межрегиональный научно-образовательный центр «Передовые производственные технологии и материалы». В программе УМНОЦ планируется отработка технологий реконструктивной хирургии и экспресс-имплантации высокого уровня готовности в 2024 году с выходом на рынок в период с 2025 по 2030 годы. Достижение доли в 20 % рынка планируется достигнуть после 2035 года.

Участники Уральского НОЦ придумали, как восстанавливать функции кисти при частичной или полной утрате пальцев за счет оригинальной хирургической технологии и имплантируемых конструкций.

Роль УрФУ в проекте состоит в выборе и создании материалов для применения в качестве имплантов, получении конечных изделий с использованием 3D-моделирования, аддитивных и других видов технологий. В свою очередь Центр Илизарова будет заниматься конструированием изделий.

«Наша задача — изготовить имплант и передать его для установки. То есть обеспечить те свойства материалов, которые нужны потребителю по форме, размеру, прочности, биосовместимости, другим параметрам», — говорит заведующий кафедрой термообработки и физики металлов Уральского федерального университета Артемий Попов.

Преимущество подхода уральских ученых и медиков в том, что за основу взяты возможности персонифицированной медицины. Иными словами, делается то, что нужно конкретному человеку в его конкретной ситуации. Данная персонифицированность и определяет нишу ученых и медиков Урала на этом рынке.

«Мы готовы решать эту задачу быстро и максимально качественно. Схема такая — после перелома врачи делают снимок, присылают нам, что нужно сделать, мы это делаем в течение нескольких часов или дней и отдаем врачам для установки. Или, к примеру, при травме откололся осколок кости. Чтобы заполнить его имплантом, делается снимок конкретного места. Под него мы делаем соответствующий фрагмент, который заполнит дефект», — добавляет Артемий Попов.

Одним из ключевых материалов, который будет использоваться при создании имплантов, станет титан — он не аллергенен, биосовместим, то есть не вредит организму. Многие другие материалы, используемые в таких случаях, отравляют организм. Использование же 3D-технологий позволит значительно снизить расход столь дорогостоящего материала.

Разрабатывает технологию Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г. А. Илизарова в сотрудничестве с Уральским федеральным университетом и Курганским государственным университетом. Ключевой партнер — предприятие «Сенсор».

Зубные имплантаты из наноструктурного титана

Ученые Уфимского университета науки и технологий совместно с инициативной группой стоматологов и разработчиков из Челябинска создали дентальные имплантаты из наноструктурного титана с биомиметическим покрытием. Покрытие сделано на основе применения метода плазменно-электролитического оксидирования и имеет морфологию и физико-химический состав, близкий к кости человека. Это ускоряет приживаемость имплантатов в 1,5–2 раза. Технология прошла апробацию, и челябинские индустриальные партнеры уже запустили производство имплантов из нанотитана с биопокрытием.

Наноструктурный титан — высокопрочный материал. Его получают путем сжатия технически чистого титана под большим давлением на прессовом оборудовании. Это приводит к упрочнению прутков титана и созданию нанокристаллической внутренней структуры.

Исследования проходят в рамках НОЦ «Евразийский научно-образовательный центр мирового уровня» (Республика Башкортостан), проект «Передовые имплантируемые устройства восстановительной и регенеративной медицины».

Сегодня в России действуют 15 НОЦ, объединяющих 638 различных участников в 36 регионах нашей страны. В 2022 году на их поддержку было направлено более 1,6 млрд рублей. Создание и развитие НОЦ идет в рамках национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России.