Материал для лечения костей улучшили ионами гадолиния

Костный цемент широко используется в медицине для замещения участков костей, пострадавших от травм или пораженных различными заболеваниями. Один из важных недостатков этого вещества — незаметность для томографических исследований. Сотрудники Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН разработали новый состав на основе фосфатов кальция и магния, в который включили ионы гадолиния. В результате цемент сохранил биосовместимость, но стал прочнее и заметнее на КТ и МРТ.

Изначально из-за близкого химического состава его было сложно отличить от костной ткани человека. Новый состав позволит без внутреннего вмешательства отслеживать введение материал в организм пациента в процессе хирургических манипуляций. Следующий шаг ученых – клинические исследования разработанного материала. 

Для замещения костной ткани при ее поражениях — например из-за остеопороза, онкологических заболеваний или различных травм — используют цементные материалы на основе полиметилметакрилата — прочного самозатвердевающего полимера, у которого есть ряд недостатков. Он нерастворим и имеет низкую совместимость с организмом из-за выраженного местно-раздражающего действия, а температура, необходимая для его затвердевания, может достигать 70°С, что иногда вызывает ожог близлежащих тканей.
 
Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (Москва) с коллегами разработали новый цементный материал на основе фосфатов кальция и магния, который обладает хорошими механическими свойствами и может способствовать образованию естественной костной ткани. Кроме того, температура его затвердевания не превышает физиологическую, что не создает опасности гибели близлежащих клеток. Материал получил еще одно преимущество. Использующийся сейчас кальций-магний фосфатный цемент по химическому составу очень близок к естественной кости, благодаря чему он совместим с тканями организма. Но, с другой стороны, такое сходство усложняет его клиническое наблюдение в процессе хирургических манипуляций и в постоперационном периоде. Теперь же кальций-магний фосфатный цемент стал видимым с помощью компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). 

Чтобы добиться этого, исследователи ввели в структуру материала ионы гадолиния — редкоземельного металла, используемого в качестве контрастного вещества (усиливающего сигнал) при визуализации КТ. Сравнение экспериментальных образцов цемента с гадолинием и без него показало, что введение ионов гадолиния способствует повышению прочности материала. Это объясняется тем, что гадолиний изменяет фазовый состав и микроструктуру цемента, благодаря чему он становится более устойчивым к деформации. Также ученые показали, что новый цементный материал обладает антибактериальными свойствами в отношении кишечной палочки (Escherichia coli), что позволит снизить риск развития инфекций после операций. При этом доклинические исследования нового цемента продемонстрировали его высокую совместимость с человеческими клетками.

«Разработанный костный цемент обладает рядом важных функциональных свойств — прочностью, антимикробным эффектом, биосовместимостью, возможностью визуализации с помощью КТ и МРТ, — что делает его крайне перспективным материалом для применения в реконструктивно-восстановительной хирургии. В дальнейшем мы планируем провести клинические исследования для доказательства его безопасности и эффективности», — рассказал руководитель проекта Владимир Комлев, доктор технических наук, профессор РАН и МГУ, член-корреспондент РАН, директор Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.