Гидрогелевую среду для тестов имплантатов создали в ТПУ

Перед установкой металлического имплантата его тестируют в лаборатории, где проверяют, как он будет вести себя в организме: когда имплантат начнет разрушаться, какие продукты коррозии появятся на его поверхности и сохранит ли он свои свойства. Особенно важны такие испытания для магниевые имплантатов, поскольку со временем после восстановления тканей они должны раствориться.

Тесты имплантатов проводят в специальных солевых растворах, которые по составу приближены к биологическим жидкостям человека. Однако полностью повторить неоднородную среду организма (состав из межклеточного матрикса, белков, солей и ограниченного количества воды) они не могут. Из-за этого результаты испытаний могут отличаться от реального поведения импланта в организме.

Ученые Томского политеха разработали тонкие полимерные пленки для проверки имплантатов в лабораториях. В основе пленок пектин — природный полисахарид, к нему также ввели глицерин, физиологический раствор Рингера и частицы карбоната кальция. Полученный гелевый раствор и пленки из него ограничивают движение жидкости и ионов, но сохраняют достаточную электропроводность для протекания электрохимических процессов. Эти условия максимально приближенно имитируют условия внутри организма.

«Карбонат кальция мы получали двумя методами — прямым осаждением и наноспрей-сушкой. Эти частицы выполняют в составе сразу несколько задач. Они служат источником ионов кальция, которые соединяют цепочки пектина в пространственную сетку и одновременно позволяют изменять плотность этой сетки, электрическое сопротивление и поведение гелевой пленки на границе с металлом. Гель замедляет перенос ионов и удерживает продукты реакции возле поверхности металла. В результате характер разрушения образца становится ближе к процессам, которые могут происходить в организме», — рассказала одни из авторов исследования, доцент отделения материаловедения ТПУ Галина Лямина.

У разработанных пленок ученые ТПУ исследовали физические и химические свойства (высыхание, набухание, электропроводность и взаимодействие с металлами). Кроме того, их проверили на титановых и магниевых сплавах, это самые распространенные металлы для изготовления имплантатов. Результаты исследований показали, что при испытаниях магниевого сплава пектиновые пленки снизили коррозию на 55 %, уменьшили плотность коррозионного тока в 1 000 раз и увеличили поляризационное сопротивление примерно в 1 300 раз.

«В обычном солевом растворе металл подвергался более равномерному воздействию. При взаимодействии с гелевыми пленками же преимущественно возникали локальные очаги коррозии и точечные поражения. Это точнее соответствует неоднородному разрушению магниевых материалов в биологической среде», — уточнила Галина Лямина.

При испытаниях пектиновых пленок на титановых сплавах ученые установили, что пленки помогали выявить межфазовую коррозию, вызванную хлоридами, ограничили массоперенос и стабилизировали термодинамику поверхности металла.

По словам ученых, способ получения карбоната кальция также влияет на степень ионного сшивания. Так, наночастицы, полученные методом наноспрей-сушки, быстрее высвобождают ионы кальция и снижают электрическое сопротивление до 74 %.

Над исследованием работали ученые отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политеха. Результаты опубликованы в журнале Journal of the Indian Chemical Society (Q2, IF: 3,4).