В старшей школе Грандфилд посещал лагерь по инженерии материалов, занятия где вел Диего Мантовани, эксперт по биоматериалам для регенеративной и репаративной медицины в Университете Лаваля в Квебеке.
Я хочу прославиться тем, что берусь за такие большие перемены и такие большие риски, а также за то, что берусь за сложные проекты и продвигаю хорошую науку», — говорит Кэтрин Грандфилд, которая в этом году является одной из стипендий Артура Б. Макдональда — престижной награды, присуждаемой только шести выдающимся исследователям в Канаде каждый год. (Фото Сильви Ли, Shoot Studio)
«Я помню, как он показал нам проект, в котором исследовалось, почему сердечные клапаны выходят из строя», — вспоминает Грандфилд, ныне ведущий эксперт в области материаловедения и инженерии Макмастера и заместитель декана аспирантуры инженерного факультета.
Мантовани попросил их рассмотреть образцы под микроскопом, чтобы увидеть накопление холестерина и дефекты сердечного клапана. В этот момент для Грандфилда все стало в центре внимания.
Раньше она думала о карьере в медицине. Но именно взгляд через микроскоп открыл ей глаза на биомедицинскую инженерию и показал, что она может «создавать решения для улучшения здоровья людей как инженер».
Сегодня это видение переросло в замечательную карьеру. Результаты исследований Грандфилд принесли ей должность канадского научно-исследовательского кафедры второго уровня в области микроскопии биоматериалов и биоинтерфейсов, а ее работы в области микроскопии были представлены на обложках журналов Physics Today, Nano Letters и ACS Nano.
А 26 октября она была названа одним из лауреатов престижной стипендии Артура Б. Макдональда в этом году.
Момент признания
Стипендия Артура Б. Макдональда ежегодно награждает шесть начинающих исследователей со всей Канады за их преобразующий вклад в естественные науки и инженерное дело.
Стипендия, финансируемая Советом естественных и инженерных исследований Канады (NSERC), предоставляет получателям 250 000 долларов США на финансирование исследований для расширения своих лабораторий и развития исследовательских программ. Это также освобождает их от преподавательской и административной работы.
Когда электронное письмо с просьбой к Грандфилду связаться с президентом NSERC впервые попало в ее почтовый ящик, она почти не поверила этому. «Я просто помню, как сказал вслух: «О боже, это значит то, что я думаю?»»
Первым человеком, с которым Грандфилд хотел поделиться этой новостью, был Карлос Филипе, заместитель декана факультета по исследованиям. Он дал ей толчок, необходимый для подачи заявки на награду.
Были отправлены текстовые сообщения, последовала погоня вокруг Инженерного здания Джона Ходжинса, и Филипе в конце концов добрался до офиса Грандфилд, где дал ей «самую большую пятерку» в ее жизни.
Среди радости и приветствий Грандфилд не упустил из виду важность этого признания. Она называет это «моментом смирения», свидетельствующим о хорошей работе, которую проделывает ее команда.
«Как исследователи, вы выполняете эту работу, потому что вам любопытно и у вас есть вопросы, на которые нужно ответить. Вы работаете не покладая рук, эксперименты все время терпят неудачу, и вы просто продолжаете работать, не ожидая признания. Вы делаете это, потому что вам это нравится и потому что всегда есть что открыть». Кэтрин Грандфилд
Видеть детали, которые никто раньше не видел
Несмотря на множество научных званий и обширную исследовательскую программу, Грандфилд скажет вам, что в конце концов она все еще микроскопист.
«Я просто хочу пойти на работу и посмотреть на интересные образцы в своем микроскопе», — усмехается она.
Но микроскопы, которые она использует, — это не школьные настольные микроскопы, которыми она пользовалась в лагере. Это крупномасштабные микроскопы, иногда заполняющие целую комнату, которые используют рентгеновские лучи, электроны и ионные пучки, чтобы увидеть внутреннюю структуру материалов в высоком разрешении.
«Совместное использование этих разных типов микроскопов называется корреляционной микроскопией», — объясняет Грандфилд. «Идея заключается в том, что один инструмент не может дать нам ответы на все вопросы, но вместе мы можем взглянуть на один и тот же регион и постепенно уменьшаться в масштабе».
Благодаря корреляционной микроскопии лаборатория Грандфилда может увидеть, из чего состоят кости и как эти внутренние структуры организованы на атомном уровне. И хотя атомный масштаб уже кажется маленьким, говорит Грандфилд, вы можете быть удивлены тем, насколько мал он на самом деле.
«Мы изучаем небольшие участки костей, которые примерно в 700 раз меньше одной пряди человеческого волоса», — объясняет она. «С помощью этих микроскопов мы можем точно наблюдать, где имплантат соприкасается с костью, и анализировать, как его структура объединяется».
Процесс начинается с рентгеновского анализа, во время которого Грандфилд наблюдает за крупной структурой материала на границе раздела кость-имплантат. Оттуда она продолжит копать глубже в структуру с помощью электронного и ионно-лучевого микроскопа.
«Эти анализы являются ключом к пониманию того, как структурирован материал и из чего он состоит», — объясняет Грандфилд. «Это также дает нам подсказки о том, почему он работает определенным образом, чтобы мы могли понять, как он работает».
Но зачем нам понимать структуры в таком микроскопическом масштабе? Оказывается, от этого во многом зависит здоровье человека.
«В биомедицинской инженерии есть концепция, называемая биомиметикой», — объясняет Грандфилд. Это идея черпать вдохновение из природы для решения задач инженерного проектирования.
Группа Грандфилда занимается именно этим, чтобы выяснить, как создавать лучшие медицинские имплантаты, например, бесшовную замену тазобедренного сустава или более прочные зубные имплантаты.
«Если мы хотим разработать новые устройства для замены костной ткани, нам нужно сначала знать, как на самом деле выглядит эта ткань», — говорит Грандфилд. «Поскольку мы знаем, что все состоит из атомов, нам не следует просто смотреть на крупномасштабную структуру, нам нужно взглянуть на атомный масштаб, чтобы увидеть, как формируются эти материалы».
Этот мелкомасштабный анализ позволяет исследователям ответить на ключевые вопросы об устройстве, например, распознается ли естественная ткань и интегрируется ли она с устройством, или вообще эффективен ли новый материал.
Большие колебания окупаются
Хотя работа Грандфилд осуществляется на атомном уровне, ее амбиции просто астрономические.
«Наша лаборатория обнаружила в костях особенности, о существовании которых люди не подозревали, потому что они не могли видеть их в том масштабе длины, на который мы смотрели», — говорит Грандфилд.
«Благодаря этому сообществу мы хотим вывести это открытие за рамки простого снимка происходящего. Мы хотим видеть, как это происходит в реальном времени».
Это означает разработку подхода к визуализации, который позволит наблюдать, как белки взаимодействуют с поверхностью имплантата, как формируется кость в процессе этого процесса.
«Большинство этих микроскопов работают в вакууме», — объясняет Грандфилд. Отсутствие воздуха или других частиц позволяет электронному лучу прекрасно проходить через этот вакуум и взаимодействовать с материалом внутри микроскопа.
Однако с помощью специально изготовленного держателя Грандфилд может поместить внутрь микроскопа капсулы, наполненные крошечными каналами жидкости и коллагеновыми фибриллами. Изнутри этих капсул она может наблюдать за формированием костей из жидкого состояния на мельчайших масштабах.
Но работа на этом не останавливается: Грандфилд мыслит шире.
Ее группа разработала метод, позволяющий брать кусочки искусственного биоматериала и помещать их в специальный держатель, имитирующий то, что находится внутри нашего тела.
Этот метод позволяет исследователям быстрее проверять биоматериалы и видеть, какие биоматериалы действуют быстрее или какие из них образуют лучшее костное покрытие на своей поверхности.
И хотя некоторым этот тип проекта может показаться «несбыточной мечтой», говорит Грандфилд, именно такие риски определили ее карьеру.
«Я хочу прославиться тем, что идет на такие большие перемены и большие риски, а также берется за сложные проекты и проводит хорошие научные исследования», – говорит она. «Теперь у нас есть шанс сделать большие шаги и продолжать продвигать эту область вперед».
Открывающиеся двери
Размышляя об этом признании и о том, что оно для нее значит, Грандфилд вспоминает момент, который произошел вскоре после того, как она узнала, что стала одним из получателей стипендии в этом году.
Она вспоминает, что один из ее студентов позвал ее в лабораторию, потому что им впервые удалось визуализировать определенный белок, и у них была возможность отпраздновать это достижение в течение трех лет совместной работы.
Больше всего Грандфилд надеется, что это признание поможет ей подготовить следующее поколение лидеров в этой области.
«Я думаю, что у меня лучшая работа в мире. Моя работа — учиться и учить людей. Разве это не такая привилегия, что я работаю каждый день, чтобы узнать о чем-то как можно больше, чтобы продвинуть эту область вперед, и я могу передать эти знания стажерам, которые однажды превзойдут меня? Я не могу себе представить лучшей работы, чем эта». Кэтрин Грандфилд
Студенты Грандфилда на протяжении многих лет занимали различные должности: некоторые работают в промышленности, а другие являются профессорами по всему миру.
«Невероятно видеть, как формируется сеть хороших молодых ученых и инженеров», — говорит Грандфилд. «Я надеюсь, что эта награда позволит мне продолжать играть роль в открытии для них дверей».
Второй год подряд инженер McMaster получает стипендию Артура Б. Макдональда. В прошлом году награду получил доцент машиностроения Тохид Дидар. В 2018 году инженер-химик Тодд Хоар получил стипендию NSERC EWR Steacie Memorial Fellowship, которая позже была переименована в честь Макдональда.
