Ближе к природе: как российские учёные создают антибактериальные материалы для костной хирургии

Одна из главных проблем в современной костной хирургии — послеоперационные осложнения при установке имплантатов. Чтобы твердая ткань восстанавливалась правильно, ученые активно ищут новые методы и материалы. Перспективное решение предложили исследователи Университета Лобачевского (ННГУ). Специалистам удалось разработать биосовместимый материал с антибактериальным эффектом на основе гидроксиапатита — минерала, близкого по кристаллической структуре костным тканям.

Почему для этого имплантата не понадобятся антибиотики, как создают такие материалы и чем они отличаются от титановых изделий — «золотого стандарта» в имплантологии? На вопросы порталу Наука.рф ответил автор проекта, заведующий кафедрой неорганической химии химического факультета ННГУ, доцент, доктор химических наук Евгений Буланов.

 — Евгений, ваша научная группа разработала антибактериальные и биосовместимые материалы на основе гидроксиапатита. В чем уникальность этого минерала?

 — Обычно, когда в кино показывают химические эксперименты, используют разноцветные растворы в колбах. В жизни соединения для перспективных материалов, с которыми работают химики, часто выглядят не такими яркими. Но за невзрачностью этих веществ скрываются ценные свойства.

Гидроксиапатит — как раз одно из таких соединений. Это вещество внешне выглядит как белый порошок. В его состав входят кальций, фосфор, кислород и водород. Природные апатиты используют в первую очередь в производстве фосфорных удобрений для нужд сельского хозяйства, уникальные природные образцы находят свое применение в ювелирном деле.

Но, как оказалось, основным компонентом костной ткани и зубной эмали млекопитающих также является гидроксиапатит. Когда специалисты научились создавать его аналог в лабораториях, стало возможным использовать его в медицинских целях, например, в качестве костных имплантатов.

 — Были ли раньше попытки создать из этого минерала медицинские изделия?

 — Важные для медицины свойства гидроксиапатита были известны и до наших исследований. Имплантаты на его основе сегодня используют в медицинской практике. Но мы попробовали решить сопутствующую имплантации таких материалов проблему: риск бактериального заражения. Чтобы его избежать, используют антибиотики, которые в том числе добавляют в материал имплантата. Однако эти препараты не всегда бывают эффективны. Кроме того, проблема антибиотикорезистентности патогенных микроорганизмов сейчас стоит как никогда остро. Поэтому, когда нам удалось разработать экономичный и легко масштабируемый способ получения гидроксиапатита, мы решили придать ему антибактериальные свойства, чтобы сам материал помогал бороться с бактериями.

Для этого мы добавили в химический состав гидроксиапатита атомы химических элементов, потенциально обладающих такими свойствами. Изначально мы тестировали висмут* и ванадий*. Хотя эти вещества положительно влияют на рост клеток и заживление ран после установки имплантатов, бактерицидный эффект у них оказался слабовыраженным. Сейчас мы тестируем другие элементы. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является кобальт*: он показал ярко выраженные антибактериальные свойства.

 — Удалось ли уже создать имплантаты на основе этого материала?

 — Говорить о создании медицинских изделий на основе модифицированного гидроксиапатита пока рано. Путь от лабораторий до клинических испытаний достаточно долгий. Для начала нам необходимо проверить его антибактериальную активность и цитотоксичность, то есть безопасность для человека. Кроме того, нужно исследовать его кристаллическую структуру, определить, как вещество будет меняться в организме в долгосрочной перспективе.

И это только химическая часть исследований. После нее планируется материаловедческий этап. Из белого порошка нужно создать объемный керамический материал. Для этого важно понять, в каких условиях мы будем спекать* исходный порошок для получения керамики, насколько он должен быть плотным или пористым.

В настоящий момент бóльшую часть полученных нами веществ мы хорошо охарактеризовали. Сейчас разрабатываем подходы, которые в будущем позволят создавать на основе химически модифицированного гидроксиапатита керамику для медицинских изделий. Поскольку костная ткань является композитным органо-неорганическим материалом, главная задача сейчас — подобрать подходящие условия для создания материалов с нужным уровнем пористости: чтобы при имплантации в гидроксиапатит прорастал коллаген. Благодаря такой структуре костная ткань должна будет обладать механическими характеристиками, аналогичными нативной костной ткани.

 — Есть ли у таких изделий аналоги? Кажется, что созданием биосовместимых имплантатов сегодня занимаются во многих университетах и исследовательских центрах.

 — Материалов для замены костной ткани сегодня предлагают действительно много. Практически все они связаны с классом фосфатов — соединениями, наиболее близкими по составу природной костной ткани. Но, как ни странно, пока наилучшим материалом для замены кости является сама кость. Она идеально подходит по физическим свойствам, по степени пористости и биомеханическим характеристикам.

При этом сейчас на рынке медицинских изделий наиболее распространенными остаются титановые имплантаты. С ними легче работать, чем с керамикой, поэтому, скорее всего, в ближайшем будущем их продолжат массово использовать. Чтобы организм не отторгал эти металлические конструкции, их покрывают различными напылениями, в том числе на основе гидроксиапатита.

Что касается нашей разработки — антибактериального гидроксиапатита — он получен в лабораторных условиях. Поэтому немного отличается от того вещества, которое содержится в организме. Но для нас это не трудность, а скорее вызов, рождающий новое перспективное направление: мы планируем работать с химическим предшественником этого вещества. То есть сделать так, чтобы организм сам преобразовал его в нужный ему материал.

 — Вы также говорили, что из модифицированного вами минерала можно изготавливать пигменты для татуажа. Как пришли к этой идее?

 — Эта идея возникла случайно. Несколько лет назад стало известно, что Европейская комиссия запретила ряд пигментов, в том числе синие и зеленые, которые используются для создания красок для татуажа и перманентного макияжа. Исследования показали, что вещества в этих пигментах способны метаболизироваться в организме в токсичные соединения, которые, в свою очередь, потенциально могут вызывать аллергию или приводить к более тяжелым последствиям.

Пигменты, которые используются для этих целей, в основном представлены органическими веществами. Но поскольку наш гидроксиапатит — биологически совместимый материал, организм не должен его отторгать. Этому соединению можно придать синий оттенок, используя марганец. Наши эксперименты показали, что такое вещество не является токсичным. Поэтому в перспективе его можно рассматривать как потенциально подходящий пигмент для татуажа.

 — Какими еще исследованиями занимаетесь в настоящий момент?

 — Мы ведем исследования по нескольким направлениям. Во-первых, продолжаем работать с материалами, которые могут обладать антибактериальными свойствами. Это направление требует огромной работы. Наша научная группа изучает не только висмут, ванадий и кобальт, но и другие потенциально биологически активные элементы. Что касается пигментов для татуажа, здесь важно не только создать биосовместимый и безопасный компонент, но и сделать его подходящим с точки зрения размера частиц.

Безусловно, часть проводимых исследований можно охарактеризовать как «фундаментальную науку»: это пока еще не создание новых материалов, но накопление массива знаний о взаимосвязи состава, структуры, свойств новых и известных классов веществ. Поле исследований можно расширять бесконечно, но для этого нужно увеличивать команду. Научных идей возникает много, но зачастую для проверки гипотез и реализации проектов не хватает рук.

 — Удается ли привлекать студентов и аспирантов?

 — Поскольку мы работаем на химическом факультете, около 90% нашего научного коллектива — это и есть студенты: бакалавры, специалисты, магистры, аспиранты. Есть коллеги с учеными степенями. Кто-то попадает к нам по распределению на кафедру, некоторые проявляют инициативу и сами приходят на ранних курсах. Так что наш коллектив достаточно молодой и разнообразный. Двери нашей лаборатории всегда открыты для всех, кому интересна химия.

 — С учетом такой команды и всего вышесказанного, как думаете, получится довести разработку антибактериальных имплантатов до практического применения в ближайшие годы?

 — Прогнозировать такие вещи — задача неблагодарная. В целом научный поиск — процесс творческий и непредсказуемый. Поскольку мы давно работаем в этой области, мы периодически встречаемся с представителями медицинской промышленности и исследовательских групп, которые потенциально заинтересованы в создании подобных веществ. Интерес к нашим материалам есть, в том числе в сфере ортопедии и стоматологии.

Но стоит понимать, что специалисты со стороны предприятий, наши потенциальные заказчики, тоже занимаются своим поиском. Им важна экономическая целесообразность продукта и возможность запустить производство в промышленных масштабах. Когда наши цели и интересы совпадут, можно будет говорить о настоящем прорыве. Надеюсь, в ближайшие несколько лет он произойдет.

Беседовала Анна Шиховец