Многослойное покрытие для костных имплантатов разработали в Томске

Разработка поможет ускорить заживление ткани и восстановление пациентов после ортопедических и челюстно-лицевых операций, а также уменьшить риск повторных хирургических вмешательств, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Из-за возрастных изменений, частых травм, патологических заболеваний костей и других факторов, вызывающих повреждение или потерю костной ткани, ученые всего мира стремятся усовершенствовать материалы для имплантатов. Чаще всего имплантаты изготавливают из металлов и их сплавов, поскольку прочная металлическая конструкция способна выдерживать высокие механические нагрузки и служит опорой для естественной кости. Однако примерно в 33% случаев имплантаты не приживаются и требуют повторной операции из-за бактериальных инфекций и нестабильности компонентов материала, в том числе вызванных коррозией (химическим разрушением) металла.

Чтобы избежать бактериальных инфекций в месте имплантации и сократить риск повторного вмешательства, исследователи разрабатывают покрытия для имплантатов, которые несут в себе антибиотики. На сегодняшний день уже есть такие покрытия-«доставщики», однако большинство из них высвобождают препарат неконтролируемо и слишком быстро, из-за чего эффективность борьбы с бактериями снижается.

В Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) разработали многослойную систему доставки лекарств на поверхности титана — прочного и биосовместимого металла, который чаще всего используется для создания костных имплантатов.

Ученые нанесли на поверхность титановой пластины тонкий пористый слой фосфата кальция. Этот материал по химическому составу и структуре напоминает минеральную основу человеческой кости, благодаря чему не отторгается и ускоряет восстановление поврежденной ткани. Чтобы сформировать такой слой, авторы использовали микродуговое оксидирование — метод «выращивания» покрытия в растворе электролита, через который пропускают электрические разряды. Затем на полученный образец исследователи с помощью пипетки нанесли раствор антибиотика ванкомицина. Лекарство впиталось в поры кальций-фосфатного покрытия, как в губку.

Чтобы антибиотик не высвободился из материала слишком быстро, сверху его закрыли слоем совместимого с живыми тканями сополимера полимолочной и полигликолевой кислот, который при попадании в организм медленно и безопасно растворяется. Меняя количество добавляемого полимера, авторы создали образцы с разной толщиной защитного слоя — от 53 до 70 микрометров (тысячных долей миллиметра).

Чем толще был верхний полимерный слой, тем более плотной и гладкой становилась поверхность образца. Эксперименты показали, что такое многослойное покрытие защищает титан от агрессивной среды организма, повышая его коррозионную стойкость на пять порядков. В то же время — даже с полимерным слоем на поверхности — на образце остались микроскопические шероховатости, которые нужны для присоединения живых клеток и восстановления поврежденной кости.

«В дальнейшем нам предстоит провести тесты с культурами клеток и лабораторными животными, чтобы проверить биосовместимость полученных материалов и показать, что антибиотик высвобождается из многослойного покрытия равномерно и длительно. Внедрение предложенных покрытий в клиническую практику потенциально позволит снизить риск отторжения костных имплантатов и уменьшить количество повторных хирургических вмешательств для пациентов», — рассказала руководитель проекта Екатерина Комарова, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Materials and Corrosion.

Ранее ученые предложили обеззараживать имплантаты с многослойными покрытиями с помощью бета-излучения — электронов с высокой энергией. Такой подход позволяет предотвратить бактериальное заражение и сохранить структуру материала неповрежденной.