Биоматериаловедение давно вышло за рамки узкой научной области. Сегодня от него напрямую зависит развитие персонализированной медицины будущего — от имплантатов и систем доставки лекарств до биофабрикации живых тканей.

Доктор физико-математических наук, директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Фёдор Сенатов, рассказывает о том, какие решения уже внедрены в медицинскую практику, где наука упирается в физику и биологию, а также почему для биоматериаловедения нужны инженеры нового «М-типа».

Научный подход к здоровью

Технологии проникают в ежедневную медицинскую практику при выполнении трёх условий: эффективности, воспроизводимости и масштабируемости.

С одной стороны, уже существуют решения, которые доказали свою клиническую эффективность: покрытия имплантатов, гидрогели, системы доставки лекарств. С другой — активно развивается производство и цифровые технологии, позволяющие изготавливать изделия под конкретного пациента. Цифровое моделирование, например, уже позволяет создавать индивидуальные имплантаты на основе КТ и МРТ. Такие подходы применяются в клинической практике и показывают высокую точность и предсказуемость результата.

По мере развития технологий производства и стандартизации такие решения неизбежно становятся доступнее. Речь не только про индивидуализацию формы имплантата, но еще и подбор механики и микроструктуры с учетом особенностей биомеханики ткани или органа пациента. Потому что один и тот же имплантат будет хуже или лучше интегрироваться с организмом в зависимости от пола и возраста, нагрузки, сопутствующих заболеваний и других факторов. Это означает, что через 5–10 лет персонализированные имплантаты войдут в такой же обиход, как, например, электронные медицинские карты.

Безопасность, масштабируемость, соответствие высоким стандартам

Современные биотехнологи создают «умные» материалы, свойства которых можно заранее программировать, меняя их под действием нагрузки, температуры или биохимической среды. В одной лишь стоматологии с 2021 по 2025 гг. рынок вырос почти вдвое: с 1,09 до 1,97 млн единиц продукции. Внедрение современных сердечно-сосудистых стентов позволило снизить смертность в 2–3 раза у пациентов с инфарктами и инсультами. Это миллионы людей, которые вернулись к нормальной жизни благодаря науке.

Путь от лабораторного прототипа до полноценного медицинского изделия никогда не бывает быстрым. Дело в совокупности факторов. Первый и ключевой из них — требование к безопасной и стабильной работе, то есть сохранять в организме заданные свойства в течение требуемого времени и, главное, не вызывать нежелательных реакций со стороны иммунной системы. Нам же необходимо этот процесс заранее проконтролировать от начала и до конца в лабораторных условиях.

Второй фактор — масштабируемость. Создать единичный образец относительно просто. Гораздо сложнее воспроизвести его в промышленном масштабе так, чтобы каждое изделие обладало теми же свойствами, той же внутренней структурой и тем же уровнем стерильности. На этом этапе многие перспективные разработки сталкиваются с рядом ограничений.

И, наконец, последнее требование — соответствие существующим медицинским стандартам. В области биоматериалов они значительно строже, чем в классическом материаловедении. Здесь недостаточно показать, что материал просто работает — необходимо доказать, что его эффект стабилен, воспроизводим и предсказуем на протяжении всего срока службы.

Кстати, отмечу, что совсем недавно в России был впервые принят национальный стандарт, регламентирующий область 3D-биопечати эквивалентов тканей и органов. ГОСТ Р 72595–2026 «Трёхмерная биопечать эквивалентов тканей и органов. Базовые принципы. Термины и определения» разработан учёными НИТУ МИСИС в сотрудничестве с экспертами Ассоциации «Технологическая Платформа БиоТех2030» и лаборатории биотехнологических исследований «3Д Биопринтинг Солюшенс». Он утверждён приказом Росстандарта и вводится в действие с 1 сентября 2026 года.

Что должен уметь современный биотехнолог?

Междисциплинарный специалист «М-типа» должен разбираться в основах клеточной биологии и иммунологии, понимать свойства материалов — от полимеров до нанокомпозитов, владеть такими методами анализа, как спектроскопия, микроскопия и механические испытания. Не менее важны и «гибкие» навыки. Проекты почти всегда реализуются в команде с клиницистами, инженерами и специалистами по данным, нужно уметь использовать цифровые модели и аналитические инструменты. В одиночку в этой области сегодня не работает никто.

Биотехнологу необходимо понимать механику материалов, основы биологии и особенности медицинского применения, так как именно на их пересечении рождаются нужные решения. Поэтому, например, в Университете МИСИС в рамках пилотного проекта по совершенствованию национальной системы высшего образования создана особая программа — «Биоматериаловедение», где обучение выстроено на стыке материаловедения, биологии и медицины. Второй уровень специализированного высшего образования ориентирован на конкретные научные и инженерные задачи: от нейроинженерии и тераностики до инжиниринга медицинского оборудования. Эти программы дают системное понимание современных методов исследования и учат работать в междисциплинарных командах. Таким образом, выпускаются уникальные специалисты, способные создавать перспективные материалы для сбережения здоровья миллионов людей.

Учёные Университета МИСИС предложили новые способы моделирования запутанных многочастичных квантовых систем с большим числом состояний. Ранее считалось, что вычислительной мощности классических компьютеров не хватит для подобных расчётов в случае больших систем. На помощь пришли квантовые процессоры и многоуровневые квантовые носители информации — кудиты.

Чтобы моделировать работу сложных структур, где одновременно взаимодействует множество частиц, необходимы квантовые вычисления. Они перспективны для создания сверхпроводников, новых типов электронных устройств, а также для изучения магнетизма и поведения материалов в экстремальных условиях. Один из наиболее часто используемых подходов в статистической физике для такой работы — модель Поттса, обобщение модели Изинга.

При увеличении в расчётах числа частиц и уровней, вычислительной мощности классических компьютеров не хватает, поэтому на помощь приходит квантовое моделирование. Но при кодировании с помощью двухуровневых квантовых систем, кубитов, неизбежно возникают дополнительные корреляции, что увеличивает вычислительные затраты.

Исследователи НИТУ МИСИС предложили новые способы моделирования систем, где взаимодействуют многоуровневые квантовые системы. Физики разработали новый квантовый алгоритм и два варианта разложения сложной квантовой динамики на набор простых операций, которые можно выполнить с помощью уже существующих кудитных квантовых процессоров. Один подход использует вентиль Мёльмера—Соренсена для ионных квантовых компьютеров и дополнительный вспомогательный уровень, а второй — вентиль на световом сдвиге. С подробностями работы можно ознакомиться в научном журнале Entropy (Q2).

«Мы показали, что использование многоуровневых квантовых систем позволяет напрямую и более эффективно моделировать сложные квантовые процессы без необходимости упрощать их до двухуровневых кубитных моделей. Оба предложенных нами подхода позволяют представить модель Поттса в виде последовательности операций, пригодных для квантовых процессоров на основе ионных ловушек», — рассказал инженер лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Максим Гавреев.

Учёные предложили конкретные схемы как для одиночных кудитов, так и для взаимодействующих пар. Используя метод Сузуки—Троттера, они разложили динамику квантовой системы на набор простых логических элементов — квантовых вентилей, которые последовательно преобразуют состояния системы по заданным правилам, что позволяет воспроизводить её динамику на реальных квантовых устройствах. Также подход позволяет выявлять динамические квантовые фазовые переходы — резкие изменения в поведении системы со временем.

«Наши результаты открывают путь к более компактной и точной реализации квантовых симуляций на существующих платформах, что особенно значимо для развития квантовых технологий в ближайшие годы. Важно отметить, что мы предложили оригинальный квантовый алгоритм на основе кудитов», — отметил к.ф.-м.н. Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.

Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030». При поддержке гранта РНФ № 24-71-00084 был разработан новый подход к выбору кудитных операций.

Российские учёные повысили устойчивость перовскитных солнечных элементов к нагреву, внедрив в материал специальные органические молекулы (TPA-Py), которые стабилизируют его структуру. Время эффективной работы устройств при высокой температуре 80°С увеличилось с 260 до 700+ часов. Это важный шаг к созданию доступных и долговечных солнечных панелей нового поколения.

«В Университете МИСИС по госпрограмме „Приоритет-2030“ реализуется стратегический технологический проект „Энергия материалов“: научный коллектив под руководством молодого талантливого доктора технических наук Данилы Саранина разрабатывает технологии и материалы для альтернативной энергетики, ведёт изыскания в области увеличения срока эксплуатации и коэффициента полезного действия солнечных элементов нового поколения. Исследователи повысили устойчивость перовскита к нагреву с помощью добавления в структуру материала трифениламин-пиридиновых молекул: благодаря этому время эффективной работы устройств увеличилось почти в 3 раза. Предложенный метод может стать одним из ключевых для последующего масштабирования солнечных панелей», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

На сегодняшний день перовскитные солнечные элементы значительно превосходит кремниевые аналоги по эффективности в пасмурную погоду или при искусственном освещении. Однако широкое внедрение таких панелей пока ограничено, так как под воздействием негативных факторов окружающей среды тонкие плёнки быстро разрушаются.

Одна из актуальных задач учёных-материаловедов — увеличить срок службы перовскитных модулей при высокой температуре, которая значительно ускоряет коррозию металлических контактов и образование структурных дефектов. Существующие методы стабилизации — например, поверхностная пассивация — часто работают только в мягких, близких к комнатной температуре условиях, но оказываются недостаточно эффективными при стандартных рабочих температурах солнечных панелей — 80-100°C.

Для решения этой проблемы учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из Института синтетических полимерных материалов РАН предложили эффективный способ защитить перовскитный модуль от разрушения при нагреве. Исследователи добавили в материал специальные органические молекулы, которые формируют тонкие плёнки непосредственно в структуре перовскита. Они стабилизируют материал изнутри, защищая интерфейсы между слоями устройства, и замедляют возникновение дефектов.

«Добавленные нами трифениламин-пиридиновые молекулы устроены так, что одна их часть отдаёт электроны, а другая — притягивает. Благодаря этому они хорошо взаимодействуют с перовскитом и создают внутри материала небольшие электрические поля, которые меняют энергитические уровни на границах кристаллов. Это снижает потери энергии и повышает выходное напряжение до 1,14 В. Молекулы увеличивают энергию активации диффузии критических дефектов, что увеличило время эффективной работы солнечного элемента более чем в 3 раза при температуре 80°С», — рассказала инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Екатерина Ильичева.

Новые молекулы блокируют перемещение ионов внутри материала — один из главных факторов разрушения/распада перовскитов со временем. Благодаря этому срок стабильной работы при температуре 80°C увеличился почти в три раза. С подробностями исследования можно ознакомиться в журнале Solar RRL (Q1).

«Термическая деградация оставалась главным барьером на пути коммерциализации перовскитных солнечных элементов. Наша стратегия объёмной пассивации с помощью молекулы TPA-Py не только сохраняет высокую эффективность, но и радикально повышает устойчивость устройств к реальным условиям эксплуатации», — объяснил инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Лев Лучников.

Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Энергия материалов» по программе «Приоритет-2030», а также поддержана грантом РНФ № 22-19-00812-P.

Исследователи НИТУ МИСИС синтезировали мезопористые наночастицы феррита кобальта, которые поглощают различные органические красители в зависимости от размера пор. Разработка открывает новые возможности для очистки промышленных сточных вод без дополнительной химической модификации сорбента. Важная особенность материала — он не теряет эффективности после множества циклов использования.

Органические красители — один из наиболее распространённых классов загрязнителей водных сред. Они поступают в сточные воды текстильных, фармацевтических и химических производств и с трудом поддаются традиционным методам очистки. Существующие магнитные наноадсорбенты требуют химической обработки поверхности наночастиц для эффективного связывания загрязнителей: такие покрытия ограничивают спектр улавливаемых веществ, усложняют эксплуатацию систем очистки и последующую регенерацию сорбента.

Учёные НИТУ МИСИС и РНИМУ им. Н. И. Пирогова доказали, что модификация поверхности наночастиц необязательна. Достаточно правильно выстроить их внутреннюю структуру — именно она определяет, какой краситель и каким способом будет поглощён.

Учёные синтезировали стержневые наночастицы феррита кобальта — крошечные магнитные палочки, пронизанные порами двух типов: мелкими (до 10 нм) и крупными (до 50 нм). Соотношение пор регулировали скоростью нагрева при обжиге матрицы, из которой затем получались наночастицы: чем медленнее, тем больше мелких пор. После очистки воды наночастицы из неё можно моментально извлечь обычным магнитом.

Чтобы понять, как поры влияют на поглощение, исследователи добавили наночастицы в растворы с тремя красителями: метиленовым синим, метиловым оранжевым и эриохромом синим.

«Эти три красителя выбраны не случайно — все они широко используются в промышленности и регулярно попадают в сточные воды. Метиленовый синий применяется в медицине, а также для окраски хлопка, шерсти и шёлка. Как продукт анилинового производства, он может в больших концентрациях загрязнять водные ресурсы в регионах химической промышленности. Метиловый оранжевый используют в химической и текстильной промышленности. Это токсичное вещество, которое опасно при вдыхании, проглатывании и впитывании в кожу. Эриохром синий применяют в текстильной промышленности для окрашивания тканей. Всех их объединяет то, что они крайне медленно разлагаются в природной среде и плохо поддаются стандартным методам очистки. Именно поэтому, попав в воду, они там остаются на долгое время. Однако наша разработка справились с каждым из них», — сказал Алексей Никитин.

Неожиданный результат продемонстрировал эриохром синий: при контакте с наночастицами он слипался в крупные комки размером в несколько сотен нанометров. При низкой концентрации краситель хорошо поглощался, но при высокой агрегаты уходили обратно в раствор. Такое поведение для этого класса красителей зафиксировано впервые. Подробные результаты — в научном журнале Journal of Colloid and Interface Science (Q1).

«Разработка меняет сложившееся представление о том, что главное в сорбенте — это химия поверхности. Архитектура пор играет не менее важную роль. В будущем предприятия смогут использовать сорбенты, настроенные на конкретные загрязнители, что проще, дешевле и надёжнее в реальных условиях производства. Кроме того, красители имеют разное строение молекул и, попадая в воду, приобретают разный заряд, благодаря чему они — удобная платформа для изучения процессов адсорбции», — сказал д.х.н. Максим Абакумов, заведующий лабораторией «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ МИСИС.

Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинская инженерия и биоматериалы» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».

Учёные НИТУ МИСИС запатентовали технологию нанесения на имплантаты и протезы покрытий из коллагена — белка, благодаря которому изделие лучше приживается в организме. В отличие от существующих методов, новый способ не требует ни специальной обработки поверхности имплантата, ни потенциально опасных химических добавок.

Каждый год тысячам людей устанавливают искусственные суставы, зубные имплантаты, сердечные клапаны и стенты для сосудов. Все эти изделия делают из металла или пластика — материалов, которые организм воспринимает как чужеродные. Иммунная система зачастую запускает процесс воспаления, а вокруг имплантата начинает нарастать плотная рубцовая ткань, из-за чего человеку может потребоваться повторная операция. Один из способов решить эту проблему — покрыть поверхность имплантата коллагеном. Организм воспринимает коллаген как знакомое вещество, поэтому покрытые им имплантаты приживаются легче.

«Проблема в том, что существующие способы нанесения коллагена сложные и не всегда надёжные. Чаще всего перед нанесением покрытия поверхность импланта нужно специально подготовить — например, обработать её ионизированным газом в дорогостоящей вакуумной установке. Без такой подготовки коллаген плохо соединяется с поверхностью и ложится неровно, островками, а не сплошным слоем — как старая краска. Некоторые методы дополнительно используют токсичные химические вещества, которые скрепляют коллаген с поверхностью, но сами по себе вредны для тканей организма. Ещё один подход состоит из множества этапов — растворения, смешивания, прокрутки в центрифуге, промывки, — из-за чего увеличивается риск ошибки, а сама обработка занимает много времени», — сказала Елизавета Кудан.

Для решения этой задачи учёные НИТУ МИСИС предложили технологию нанесения коллагена, который полностью исключает самый сложный этап — подготовку поверхности импланта. Разработка представляет собой готовый набор для покрытия имплантатов, который можно использовать прямо в больнице или операционной, не обращаясь к лабораторному оборудованию. В него входят все необходимые компоненты в нужных пропорциях: порошок или лиофилизат коллагена, органическая кислота, щёлочь и раствор-стабилизатор, а также инструкция.

«Сам процесс нанесения покрытия состоит всего из трёх шагов. На первом этапе лиофилизат коллагена растворяют в кислоте слабой или средней силы до получения однородной вязкой системы. Затем имплантат погружают в полученный раствор, обеспечивая равномерное распределение белка по его поверхности. На втором этапе изделие кратковременно выдерживают в щелочном растворе, что вызывает нейтрализацию кислой среды, снижение растворимости коллагена и формирование закрепленного белкового слоя. На заключительном этапе имплантат инкубируют в стабилизирующем растворе, что способствует образованию коллагеновых фибрилл и формированию структурно устойчивого покрытия. Для получения требуемой толщины и равномерности покрытия цикл нанесения, нейтрализации и стабилизации может быть повторен несколько раз», — сказала соавтор патента Василина Захарова.

В большинстве других методов коллаген удерживается на поверхности за счёт химических связей, а для их образования поверхность имплантата нужно заранее активировать, например плазмой. С новой технологией белок удерживается всего лишь с помощью быстрого затвердевания. Учёные экспериментально подтвердили, что отсутствие предварительной обработки поверхности имплантата не влияет на качество покрытия.