Фото: Редкие Земли

В этот раз собеседником журнала "Редкие Земли" стал редкий для российской действительности ученый. Судите сами: у металлурга по образованию Владимира Комлева десятки патентов и сотни научных публикаций в высокорейтинговых журналах по темам, связанным с медициной, а сам он уверен - успешный ученый должен работать на стыке наук и обязан быть немного фантазером, в хорошем смысле этого слова. Об этом разговоре мы договорились спонтанно, на бегу, в г. Суздаль на Всероссийской научно-технической конференции «Постоянные магниты: Наука и Технологии. Производство. Применение», но продолжался он в итоге не один день — вот уж действительно природный магнетизм.


Справка
Владимир Сергеевич Комлев – российский ученый, доктор технических наук, профессор РАН и МГУ, член-корреспондент РАН, директор крупнейшего научного центра по новым материалам и металлургии Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), принадлежит к числу крупных ученых в области физикохимии и технологии биоматериалов. Его научные интересы направлены на разработку и создание широкого спектра материалов и покрытий для тканевой инженерии, основ аддитивного производства и биофабрикации, лаборатории на чипе, новых методов характеризации, систем доставки лекарств и генной терапии, разработки биологических моделей и клинических платформ в травматологии, ортопедии, онкологии для замещения/регенерации тканей различного генеза, цифровых технологий, проведение биомедицинских исследований в условиях космоса.


ГЛАВА 1. Космос как предчувствие будущего



В 2019 г. я был на Байконуре. Космос всегда привлекает, впечатляет его красота и бесконечность. Я думаю, что в моем поколении все мечтали быть космонавтами. И тут интересное предложение от Госкорпорации «Роскосмос» — проект по тканевой инженерии, создание искусственной костной ткани в условиях микрогравитации. Я являюсь специалистом в этом вопросе, уже два десятка лет работаю по данному направлению.

Это, конечно, было фундаментальное исследование. Актуальность заключается в том, что мы когда-нибудь полетим к далеким планетам, в условиях долгих перелетов понадобится медицинская помощь, в том числе замещение различных типов тканей и органов. Это одна из работ, которая реализуется в долгосрочной перспективе. Она предвосхищала время. Посмотрите на того же Илона Маска, который уже сейчас говорит, что будут коммерческие полеты к Марсу через 2−3 года, автоматизированные и роботизированные. Но человек все равно должен увидеть своими глазами! Насколько я помню, по расчетам профессора физики Крейга Паттена из Калифорнийского университета, путь до Марса займет около девяти месяцев в период оппозиции Марса, поэтому очевидно – не дай бог что-то случится с космонавтами, потребуется оказание медицинской помощи прямо в полете.

Идея заключалась в том, чтобы синтезировать искусственную костную ткань в условиях космоса (микрогравитации). Биологическая ткань является трехмерным, сложным композиционным материалом, который состоит из клеток, межклеточного вещества и неклеточных структур, объединенных закономерностями строения и общностью выполняемых функций. Ключевой проблемой в этой задаче является разработка подходов для формирования функциональных трехмерных материалов, обеспечивающих эффективный процесс восстановления утраченных функций организма. Формируемые материалы должны обладать заданной геометрией, имитирующей структуру тканей, имеющих множественные физиологические особенности, в том числе обеспечить процессы васкуляризации, т.е. прорастание кровеносных сосудов в ткань для улучшения снабжения кислородом и питательными веществами. Для формирования новых сосудов (ангиогенез) необходимо создать специальную структуру в материале, первичные сосудистые сети, необходимые условия, компоненты и т.д. Костную ткань как единое целое в принципе сложно сконструировать, природа тут постаралась, поэтому ее пытаются имитировать, используя природоподобные подходы, биомиметический дизайн и новые технологии, например, аддитивное производство, биофабрикацию и другие.

Очевидно, что для Госкорпорации «Роскосмос» в стратегическом плане данная задача является важной и актуальной. В результате выполненных научных исследований получены уникальные результаты, а именно, показана возможность синтеза костной ткани в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции (МКС). К сожалению, результаты работы по этому проекту еще не опубликованы. Статья была направлена в «Nature», два года я находился в непрерывной переписке с журналом, но ввиду различных формальных причин статью «завернули». Хотя, ответственный редактор признал ее в переписке, крайне актуальной. В настоящее время, результаты работ приняты в другом журнале Biomedical Technology. Советую читателям Вашего журнала ознакомиться с результатами работ.

В целом, по моему мнению, фундаментальным исследованиям в космосе долгое время не уделялось должного внимания, понятно, что приоритетными являлись и являются практически-ориентированные работы по направлениям: дистанционное зондирование Земли, дальний космос, обеспечение связи с использованием космических аппаратов, пилотируемая космонавтика и д.р. В настоящий момент государство обращает больше внимания на решение фундаментальных задач. Недавно на стратегической сессии по национальному проекту «Развитие космической деятельности Российской Федерации на период до 2030 года и перспективу до 2036 года» 13 августа 2024 г. Председателем правительства было поручено обеспечить переход на качественно новый уровень фундаментальных исследований в данной области. Фундамент – это как раз научные исследования, стены – это прикладные работы, крыша – технологии, таким образом формируется дом. Приходит понимание, что научные разработки, пылящиеся на полках, должны внедряться в реальный сектор экономики в максимально короткие сроки.

ГЛАВА 2. Игра в живое-неживое



Прежде чем фантазировать о том, что может быть живым-неживым, стоит задуматься, а что вообще можно считать живым, если с точки зрения химии, «жизнь» — это всего лишь реакция автокатализа сложных органических молекул.

Сейчас, таким образом, приходит понимание, что идея, пришедшая мне два десятка лет назад, получает объяснение. Синтезированные материалы для тканевой инженерии обладают очень необычной для неорганических веществ особенностью – они способны выступать в качестве катализатора биохимических процессов в живых системах. Косвенным подтверждением является недавняя наша совместная научная работа с коллегами из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН посвященная изучению иммунного статуса организма на вариабельность поведения наших материалов in vitro и in vivo. Известно, что иммунная система организма ответственна за поддержание однородности и индивидуальности генетической и антигенной составляющей каждого организма на клеточном и молекулярном уровнях, по сути, за поддержание антигенного гомеостаза. Нами было установлено, что неорганический материал может выступать в качестве триггера асептического воспаления. При этом реакция клеток иммунной системы при их взаимодействии с материалом играет ключевую роль в определении дальнейшего поведения материала в организме. Так, скрытые воспалительные процессы и сенсибилизация организма (например, аллергического генеза) могут кардинально изменить реакцию организма на имплантируемые материалы, трансформируя первоначальную реакцию полной биоинтеграции в крайне нежелательный фиброгенный эффект или отторжение, сопровождающееся асептическим воспалительным процессом, который может инициировать отмирание собственной костной ткани в месте контакта с имплантатом, что не только не способствует регенерации, но и существенно усугубляет клиническую картину. Считаю, что данная научная работа по этому направлению является пионерской и опережает время.

Другим подтверждением данного предположения являются научные исследования по созданию нанозимов, которые начались сравнительно недавно – около 5 лет назад. Например, ученые химического факультета МГУ ведут работы по синтезу наночастиц гексациапоферратов «берлинская лазурь» и создание на его основе нанозимов «искусственной пероксидазы». Уже создан определенный задел по замене биологического фермента пероксидазы в качестве метки в ДНК- и иммуносенсорах на синтетический - нанозим.

Таким образом, гипотеза о людях-магнитах, когда коллектив складывается определенным образом, а по мере добавления в него новых персон начинает резко изменяться или отторгать новичков, имеет место быть.

ГЛАВА 3. Технологии в погоне за наукой



Тканевая инженерия — направление науки по созданию искусственных тканей и органов. Странный выбор для человека, который закончил Московский институт стали и сплавов по специальности «Физика металлов» — чистой воды металлург. Поменять научное направление решил позже, после учебы в Германии. На четвертом курсе института кто-то из преподавателей внезапно задал вопрос, кто знает немецкий язык. Немецкого не знал, но поднял руку, а через три месяца уехал в Германию. Выучил немецкий язык и подготовил на нем дипломную работу. Дипломная работа посвящена разработке алюминиево-магниевых сплавов с целью повышения механических характеристик, путем деформации между твердым и жидким состоянием. Вернулся, защитил кандидатскую диссертацию в течение года, а потом получил приглашение в Италию на позицию пост-дока, где курировал итальянско-французское научное сотрудничество в области синхротронного излучения для медицины. Во время научной работы в Риме я занимался тем, что изучал границу раздела кость-имплантат с помощью рентгеновской микродифракции электронов и обнаружил некоторые неорганические минералы, которые были плохо изучены и практически не описаны в научной литературе. После этого я задумался, а что будет, если научиться их синтезировать. Они термодинамически нестабильны, то есть существуют в определенных условиях, в основном при физиологических температурах, поэтому из них невозможно сделать имплантаты традиционными высокотемпературными способами. И вот тогда, четверть века назад при использовании синхротронного излучения мне как раз пришла в голову идея, что можно создавать самоорганизованные системы, которые в условиях организма человека могут изменяться, адаптироваться. Они меняют свои свойства в определенный момент времени и в определенном окружении, можно сказать, наверное, что ведут себя как живые организмы в переносном смысле. Сейчас я понимаю, что они являются катализаторами образования костной ткани.

Идея заключается в том, что мы должны использовать ресурс организма человека – он может сделать основную работу сам. Поясню, чтобы заместить поврежденную ткань, нужна имплантируемая конструкция на основе керамики или полимеров или металлов с различными биологическими факторами (клетки, протеины, генные конструкции), понятно, на пустом месте ничего не вырастит. Тканевые инженеры создают все более впечатляющие прототипы, но до «золотого стандарта» - нативной ткани самого пациента еще очень далеко. Главная причина – ткань состоит из разных типов клеток, она должна быть пронизана сетью сосудов, нервными и лимфатическими путями. Каждая клетка должна поверить, что она часть организма — ей нужны правильная кислотность, механическое напряжение, концентрация кислорода, сигнальные молекулы, связи с другими клетками. Большую роль играет материал носитель. Организм должен его воспринимать как свой. Вы не можете это просто имитировать с существующими возможностями химии, науки о материалах, биологии. Не говоря уже об иммунной системе — она считает искусственную конструкцию инородным телом и атакует его, капсулирует и выбрасывает из организма. Для решения этих задач должен быть изменен подход к разработке таких материалов, включающий персонализацию, выявление молекулярных мишеней, программирование иммунного ответа и только после этого синтез адоптивных/автономных конструкций с каталитическими свойствами системы. Сейчас все происходит ровно наоборот. Например, разработка металлических имплантатов эмпирическим путем — только подбор различных компонентов состава будет составлять порядка 10¹⁰⁸ вариантов.

Восстановление костной ткани является актуальной медицинской проблемой. Ее значимость обусловлена распространенностью патологических состояний костной ткани, возникающих, в частности, в результате травм, опухолевого (первичного и метастатического) поражения, возрастного остеопороза и ассоциированных с ним переломов. Лечение и реабилитация больных с патологией костной ткани сопряжена с огромными затратами для системы здравоохранения. При этом не более 1/3 переломов разного происхождения у взрослого населения завершается полным выздоровлением, трудовой и социальной реабилитации. Это относится и к больным с дефектами костной ткани, возникающими при оперативном удалении первичных и метастатических злокачественных образований в костях. Необходимо отметить, что еще 15 лет назад генерализация опухолевого процесса с поражением костей относила больных к категории неоперабельных. Сегодня развитая техника оперативных вмешательств позволяет таким пациентам после оперативных вмешательств, поддержанных лучевой и химиотерапией, продолжать вести активный образ жизни, зачастую многие годы, при условии медицинской реабилитации. Это требует полноценного восстановления костной ткани в зоне постоперативного дефекта. Одним из рациональных путей решения описанных проблем могло бы стать использование синтетических биосовместимых материалов с оптимизированными в плане остеозамещения свойствами. Если материал должен работать под нагрузкой, то используются титановые имплантаты. Мы можем напылить этот состав на покрытие, и он тоже начинает работать, адаптировать само покрытие к организму человека. Как раз над этим сейчас мы работаем с ООО «Русатом МеталлТех». АО «Наука и инновации» заказала научно-исследовательскую работу в ИМЕТ РАН.

ГЛАВА 4. Придумать — разработать — внедрить



Редкое явление, когда человек может одновременно заниматься научно-исследовательскими, опытно-конструкторскими работами и в то же самое время внедрять, коммерциализировать, выходить на рынок, продвигать свои разработки. Безусловно, для этого требуются разные компетенции и способности.

На первом этапе нужно четко понимать: будет ли твоя научная работа востребована, будет ли это актуально для общества? Будет ли это экономически рационально даже в удаленной перспективе? Возможно ли это будет масштабировать? Нужно учитывать фактор времени, что процесс реализации должен быть максимально короткий, без ущерба качеству работы.
Другими словами, это кропотливый труд сотрудников организации, который требует достаточно много времени. Если коротко, то научные результаты сначала нужно масштабировать, подготовить технико-экономическое обоснование, организовать опытно-конструкторские работы, в том числе получить необходимые разрешения, найти заказчика/потребителя для технологии или продукта и т.д. Это очень долгий и трудоемкий процесс, на этом пути встречаются трудности, человек останавливается, «опускает руки», некоторые и до середины пути не доходят. Считаю, что если взялись за какую-то работу, то ее надо довести до конечного результата, а именно до готовой разработки.

Например, в нашем Институте ведутся разработки в различных областях от минерально-сырьевой базы, металлургии до медицины, сельского хозяйства и они находят в большинстве случаев практическое применение. Хотя, хочу отметить, мы являемся организацией научного сектора, основная деятельность – фундаментальная наука.

В частности, ИМЕТ РАН внес определяющий вклад в подготовку Пижемского титанового месторождения к промышленному освоению, результатом которого стало детальное изучение вещественного и минералогического состава руд с последующей разработкой инновационной технологии их обогащения на стандартном промышленном оборудовании в экологически чистом непрерывном замкнутом цикле.

По заказу Минпромторга России разработан ряд ультрапрочных экономнолегированных конструкционных сталей и освоено их промышленное производство. Ультрапрочные конструкционные стали обладают не имеющим аналогов сочетанием физико-механических свойств. Их производство не требует специального металлургического оборудования. Они нашли своё применение и успешно используются в перспективных изделиях Российского Федерального ядерного центра - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики.

В ИМЕТ РАН в 2022 г. начал работу научно-технологический центр «Спецсплав», ориентированный на научные исследования и производство опытно-промышленных партий высокопрочных алюминиевых и магниевых сплавов. Для получения изделий с повышенными свойствами применяются методы центробежного литья, обработки расплава ультразвуком, легирования и модифицирования, армирования нанопорошками и различными волокнами.

В Институте разработаны аморфные ферромагнитные провода толщиной 50-100 мкм, обладающие уникальным комплексом свойств (прочность, сверхупругость, коррозионная стойкость, высокие магнитные и сенсорные свойства). Использование таких микропроводов в качестве встроенных сенсоров (протяженных датчиков) позволило создать новые цифровые on-line системы мониторинга механических напряжений в различных изделиях и конструкциях (крыльях самолетов, баллонах и цистернах, опорах мостов, протяженных трубопроводах, силовых конструкциях и пр.).

Разработана линейка новых деформируемых магнитотвердых сплавов для постоянных магнитов на основе системы Fe-Cr-Co. Новые сплавы по магнитным свойствам (коэрцитивная сила, остаточная индукция, максимальное энергетическое произведение) превосходят основные промышленные магнитотвердые литые сплавы системы Fe-Ni-Al-Co-Cu (ГОСТ 17809-72) на 30-40 %. Сплавы содержат в 1,5-2,0 раза меньше остродефицитного кобальта и в них полностью исключен никель. По своим механическим свойствам (прочность и пластичность) разработанные сплавы превосходят существующие магнитотвердые сплавы. Организовано малотоннажное производство магнитов этой системы.

Мы также выпускаем порошки неорганических материалов широкого спектра (цветные, тугоплавкие металлы, керамика и т.д.) для аддитивного производства и высокотехнологическое оборудование для их сфероидизации. Создается опытно-промышленный участок аддитивного производства прецизионной технической керамики широкого спектра применения на основе оксида циркония путем отверждения фотополимерной суспензии.

В области медицины, в настоящее время на базе ИМЕТ РАН производятся и реализуются несколько зарегистрированных в установленном порядке медицинских изделий для замещения и реконструкции костной ткани человека. Более того, производится компонент первого в мире ген-активированного материала с «активированной» плазмидной ДНК с геном, кодирующим сосудистый эндотелиальный фактор роста. Это результат 10-летней совместной работы с коллегами из ПАО «Артген биотех» и ООО «Гистографт». Это уникальная разработка, не имеющая аналогов в мире.

Даже в сельском хозяйстве у нас есть история успеха. У нас с 2023 г. работает опытно-экспериментальный участок по производству гидропонной зелени. Выращивается комплекс питательных биологических систем в промышленных масштабах, сельскохозяйственных растений допированных полезными соединениями с использованием магнитных полей (до 12 тонн в год на площади около 150 м²).

ГЛАВА 5. Жизнь в квантовом мире

Наука развивается стремительно. Посмотрите какой скачок человечество сделало за последние полвека. Хотя я считаю, что мы находимся только в начале пути, в осознании возможностей. Новые сферы науки и технологии будут появляться, т.к. есть другие «плоскости», которые мы сейчас не видим или к которым мы пока только приоткрыли двери.

Есть необъяснимые вещи, например, известный двущелевой эксперимент с фотоном в квантовой физике, который при наблюдении ведет себя как волна, а когда человек не наблюдает за прохождением фотона сквозь щели, то детектируется классическая картина интерференции, т.е. фотоны проходят одновременно через обе щели. Квантовая физика описывает результат эксперимента, но не объясняет физический смысл. Ученые Калифорнийского политехнического университета в настоящее время проводят интересные исследования, заключающиеся в регистрации фотонов на щели, без сообщения результатов наблюдателю. Таким образом, если в результате фотон продолжит вести себя как волна, то можно сделать вывод, что мы живем в симуляции. Может быть, нам и делать тогда ничего не нужно, потому что нами просто управляют, и мы каждый день служим какой-то определенной, заданной цели не подвластной нам? В частности, мне очень понравились выводы ученых по этой теме: для того, чтобы вас не «закэнслили» — имеется в виду, не исключили из системы, — ведите себя неадекватно, но в рамках закона или стремитесь занять важное место в социуме, чтобы ваше исчезновение повлекло за собой энергетические изменения в системе (смеется).
Что касается фантазий, то я почему-то уверен, что фантазировать и мечтать необходимо, потому что это будет потом как-то реализовано. Все фантазии, можно сказать, материальные, фантастические книги Беляева, Брэдбери, Герберта Уэллса — писатели просто фантазировали, но многое из того, что было написано в этих книгах, каким-либо образом мы сейчас используем в повседневной жизни или наблюдаем.

Если пофантазировать, возможно в мире возникнут живые магниты, которые смогут самоорганизовываться и вести себя в тот момент их цикла жизни таким образом, чтобы адаптироваться под окружающую среду. Уже сейчас органика используется в электронике. Например, она применяется при создании квантовых компьютеров, которые предположительно будут работать по принципу человеческого мозга. В мире активно ищут замену металлическим материалам. Ученые из Института физико-химических исследований (Япония) установили природу магнетизма в органических молекулах. Постоянное магнитное поле неорганических соединений, например в системе Nd-Fe-B, обусловлено его внутренней электронной структурой. Это явление называется ферромагнетизмом. В органических материалах ферромагнетизм встречается очень редко ввиду совершенно иной атомно-электронной структуры. Одним из немногих примеров органических материалов является тетракис-диметиламино-этилен (ТДЭ) – комплексное соединение, состоящее из молекул фуллерена с замкнутой сферической поверхностью и присоединенных к ним молекул органического лиганда TДЭ. После открытия магнитных свойств ТДЭ начались исследования, цель которых заключалась в выявлении природы органического ферромагнетизма и создании органического вещества с заданными магнитными свойствами. Пока это только эксперименты на уровне образца, несколько микрометров, а потом, вероятно это может быть усовершенствовано в объемное изделие – органический магнит.



Справка: В ИМЕТ РАН успешно проводятся работы по разработке технологий добычи, переработки и комплексного использования минерального сырья, в том числе редкоземельных металлов; по созданию высокопрочных сталей; азотистых немагнитных сталей; монокристаллов тугоплавких металлов; высокочистых тугоплавких металлов и сплавов для ракет, космических аппаратов и систем навигации; интерметаллидов для реактивных двигателей; спецмагнитов для систем навигации; уникальных керамических материалов конструкционного и функционального назначения; термостойкой пластичной керамики для двигателестроения; технологий сфероидизации порошков тугоплавких соединений для аддитивного производства; технологии для повышения ресурса и надежности лопаток реактивных двигателей; уникальных материалов для регенеративной медицины; индивидуальных имплантатов, ткане- и генно-инженерных конструкций и пр.

Фото, текст: Редкие Земли