Почти как живой: российские студенты создают фантом мозга для нейрохирургии

Самая точная имитация органа

«Фантомозг» создавался в рамках студенческого конкурса междисциплинарных проектов НИТУ «МИСиС», который стартовал в марте, но сама идея возникла гораздо раньше. Ее подсказал профессор Александр Корсунский, вице-президент Тринити колледжа Оксфордского университета, приглашенный профессор Сколтеха и НИТУ «МИСиС», который также является главным редактором научного журнала Materials & Design, где публикуется полный спектр исследований по инженерии материалов. Ученого заинтересовали статьи его коллег, посвященные фантомам органов и реакции мягких тканей во время инъекций. 

«В данном случае фантом — это технологический термин, обозначающий искусственную копию органа, которая не просто его имитирует, а имеет высокое механическое и анатомическое подобие. Она создается с помощью трехмерной печати на основании детального анализа снимков МРТ или КТ конкретного пациента, например, мозга, легких или печени. Фантом позволяет хирургу тренироваться перед операцией, чтобы минимизировать риск ошибок и улучшить конечный результат для пациента. Фантомы очень востребованы в современной медицине, особенно персонализированной. У моей команды ученых появилась идея разработать определенный подход к быстрому и недорогому созданию таких фантомов из гидрогеля — пористого материала материала с эластичной сеткой из полимерных молекул, с внутренним пространством, наполненным жидкостью, который по своим свойствам схож с мягкими тканями человека. Как выяснилось, практически реализовать такой проект может быть и быстрее, и дешевле в России», — рассказал Корсунский, взявший на себя научное руководство проектом ruphantom.com 

Фантомы органов используются не только в хирургической практике, но и в процессе обучения студентов-медиков и практикующих врачей. На сегодняшний день существуют еще два способа изучения объемной структуры органов: через 3D-симуляцию в виртуальной реальности, и на кадаврах — телах умерших. В первом случае это оказывается довольно дорого, кроме того, VR-технологии по-прежнему не позволяют полноценно воспроизвести весь физический процесс операции. Учебная практика на кадаврах практически труднодоступна из-за множества административных и этических препятствий. Доступ к телам имеют только патологоанатомы с конкретной целью — установление причины смерти, поэтому доступ в анатомичку затруднен в том числе для практикующих специалистов. Повышать квалификацию приходится, например, используя кадавры свиней — такого рода услуги предоставляет компания «Симбиотех» в Сколково. Однако в силу принятой системы сертификации, образцы проходится заказывать и доставлять из США, поэтому даже такая хирургическая практика обходится весьма недешево. 

«И российские, и зарубежные врачи очень заинтересованы в создании модели для обучения, которая была бы проще, дешевле и легко воспроизводима. И кроме того, она должна быть максимально близка по своим механическим и анатомическим свойствам к человеческим тканям», — сообщил руководитель проекта, доцент кафедры физической химии Института новых материалов и нанотехнологий НИТУ «МИСиС» и старший инженер лаборатории иерархических структурированных материалов Сколтеха Алексей Салимон. 

От 3D-реконструкции до уменьшенной копии мозга  

Проект по созданию фантома мозга («Фантомозг») в рамках конкурса был реализован усилиями студентов НИТУ «МИСиС» в Центре композиционных материалов, а также специалистов Сколтеха. 

«Официально мы заявили на конкурс четыре студента, но по факту над проектом работали десять человек, включая инженера Центра дизайна, производства и материалов в Сколтехе Андрея Дьякова и руководителя ЦКП «Фаблаб и мастерской» Владимира Каляева», — сказал Евгений Статник, возглавивший студенческую команду. 

На первом этапе участники команды создали 3D-реконструкцию фантома с печатью полимерного «негатива». На его основе была изготовлена силиконовая форма, в которую заливается гидрогель из поливинилового спирта и агарозы. Чтобы получить текстуру, которая по своим физическим свойствам похожа на ткани головного мозга, ученые целенаправленно искали пропорции компонентов, обеспечивающие соответствие вязких и упругих свойств фантома реальному мозгу. 

Гидрогель как материал для создания фантомов был выбран неслучайно. Сегодня существует целое направление по созданию фантомов органов, в том числе в России, но их изготавливают из силикона, который сильно отличается от человеческих тканей по механическим характеристикам. Этот материал позволяет воспроизводить форму органа, но не физический отклик, который необходим хирургу для формирования навыков «мышечной памяти». Синтетические гидрогели на основе коллагена и полимеров максимально приближены к свойствам мягких тканей человека.  

На финальном этапе работы пробный образец — уменьшенная копия мозга 1:4 — был помещен сначала в морозильную, а затем в холодильную камеру. Механические испытания показали, что максимальное напряжение сопротивление сжатию полученного фантома почти соответствует полушариям человеческого мозга – 87 кПа против 100 кПа. Весь технологический цикл по изготовлению фантома занял чуть больше суток. Первая небольшая партия — 10 штук, — была представлена «Симбиотеху». 

«Наш проект победил в конкурсе «МИСиС» и мы получили денежный приз, который позволит нам продолжить работу», — сообщил Евгений Статник. 

Результаты своей работы исследователи уже опубликовали в журнале Materials Today Proceedings (статья доступна на сайте ScienceDirect). Теперь команде предстоит работа над структурной имитацией других отделов мозга: мозжечка, среднего мозга, продолговатого мозга, мост, а также увеличением модели до размеров 1:1. Исследователи планируют добавить имитацию сосудов и патологических изменений: опухолей, кровяных сгустков, бляшек. В перспективе команда планирует создать фантомы легких и печени.

«Как ученые мы ищем новые смыслы и подходы в технологиях. Нашей задачей было заявить миру о своей разработке, которая позволяет создавать фантомы органов для широкого клинического применения с минимальными затратами, и мы это cделали», подчеркнул Александр Корсунский.