Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Поэтому, когда приходится менять сустав, головку бедренной кости ампутируют и ставят вместо нее титановый шарик. В тазу просверливают новую выемку по размеру протеза и кладут внутрь высокоплотный полиэтилен – он-то и выполняет роль хряща. Такой протез полностью восстанавливает подвижность ноги и служит десятки лет, пока полиэтилен не потеряет своих свойств – тогда вновь требуется замена. В последних моделях детали так хорошо пригнаны, что полиэтиленовая прокладка не нужна, но пока неясно, выигрывают ли они в долговечности, – не исключено, что прямой контакт металла с металлом или, в более современных протезах, керамики с керамикой ускорит износ. Как бы то ни было, операции по замене тазобедренных суставов сегодня в порядке вещей и уже вернули миллионам пожилых людей радость движения.

С заменой коленного сустава дело обстоит примерно так же – правда, коленный сустав сложнее устроен: это не одинарный шарнир, он отвечает не только за сгибание и разгибание, но и за скручивание. Как-нибудь в уличном кафе, глядя от нечего делать по сторонам, присмотритесь к прохожим. Они ходят «от колена», то есть выдвигают колено вперед, заносят его над местом, куда собираются шагнуть, затем опускают стопу, приноравливаясь к спускам и подъемам, то есть поворачивая ее под тем или иным углом, что требует сложной регулировки и перегруппировки коленного сустава. Бег – это еще более суровое испытание для наших коленей: ко всему прочему они сотрясаются от постоянных ударов стопы о землю. Попробуйте идти, не сгибая ноги в коленях, – вы сразу оцените важность этих суставов. Мне совсем не улыбается перспектива полной замены коленного и тазобедренного суставов в ближайшие десять-двадцать лет. Впрочем, если это единственный способ оставаться на ногах, я, конечно же, соглашусь на операцию. Однако десять лет – это большой срок для медицины и материаловедения. Ученые ищут способы восстановления поврежденной хрящевой ткани внутри суставов, и, возможно, их открытия спасут меня от скальпеля.

Хрящ – сложная живая материя. Подобно гелю, он обладает внутренним каркасом из волокон, по большей части коллагеновых. (Коллаген – молекулярный родственник желатина и основной белок в человеческом теле, он отвечает за упругость и прочность кожи и других тканей. Именно поэтому его часто указывают на этикетках кремов от морщин.) Однако, в отличие от гелевого, хрящевой каркас заключает в себе живые клетки – они формируют хрящ и поддерживают его в нормальном состоянии. Эти клетки называются хондробластами. Сейчас уже научились выращивать хондробласты из собственных стволовых клеток пациента. Однако простое введение этих клеток в сустав не приводит к восстановлению хряща, отчасти потому, что хондробласты не могут выжить вне коллагенового каркаса, без него они погибают. Это все равно что заселить Луну лондонцами – совершенно беспомощными без привычной городской инфраструктуры.

Временная конструкция внутри сустава, которая имитирует базовое строение хряща, – вот что нужно. Если ввести хондробласты в этот трехмерный каркас, или, иначе, подложку-носитель, то они будут расти, активно делиться, у них будет вдоволь времени и места, чтобы построить заново свою естественную среду обитания и нарастить хрящ. Несомненно, клетки либо сами поглотят каркас-подложку, либо его будут проектировать таким образом, что он сразу растворится, как только новые клетки закончат обустройство своей среды обитания, при этом готовый хрящ в колене или бедре не пострадает.

Идея восстановления хрящевой ткани на трехмерном клеточном каркасе может показаться надуманной, но такой способ действительно существует, и впервые его применил в 1960-х годах профессор Ларри Хенч. Некий полковник поставил перед ним задачу – найти способ восстановления костной ткани, чтобы врачам не пришлось ампутировать ноги солдатам, искалеченным на Вьетнамской войне: «Мы умеем спасать жизни, но не умеем спасать конечности. Нам нужны новые материалы, которые не отторгает организм». В поисках материала, идеально совместимого с костью, Хенч и его команда открыли гидроксиапатит, который при попадании в организм человека образует чрезвычайно прочную связь со скелетом. Хенч проводил опыты с разнообразными составами на основе гидроксиапатита. В итоге он обнаружил, что, если придать материалу форму стекла, тот обретает замечательные свойства. Биоактивное стекло имеет пористую структуру, то есть состоит из чрезвычайно узких каналов.

Клеточный каркас из биостекла с растущими внутри клетками

Костным клеткам, остеобластам, в новой среде было раздолье. Они размножались, образуя новую кость, и попутно разрушали, как бы разъедали, каркас из биостекла.