Умные имплантаты будут стерилизовать бета-излучением

Ученые из Новосибирска и Томска подтвердили, что с помощью электронов с высокой энергией (бета-излучения) можно эффективно и безопасно стерилизовать сложные многослойные имплантаты, которые содержат антибиотики и противоопухолевые препараты. Эксперименты показали, что даже высокие дозы облучения не повреждают структуру и химический состав покрытий и сохраняют их терапевтическую активность на протяжении как минимум шести месяцев. 

Предложенный способ решает ключевую проблему дезинфицирования сложных медицинских изделий и может использоваться для обработки многослойных имплантатов перед их внедрением в организм человека, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Современные имплантаты ускоряют восстановление поврежденных тканей, заменяют поврежденные органы, а в некоторых случаях, например, при имплантации кардиостимуляторов, — спасают жизни пациентам. Однако врачи при установке таких устройств, особенно в случае ортопедических и зубных имплантатов, часто сталкиваются с инфекциями. Бактерии колонизируют поверхность имплантата, образуя устойчивую биопленку, которая практически непроницаема для антибиотиков и иммунных клеток. Кроме того, на имплантат из титана или нержавеющей стали иммунная система организма может отреагировать хроническим воспалением или полным отторжением — как на инородное тело.

Чтобы решить эти и другие проблемы, ученые разрабатывают сложные системы — умные имплантаты. Такие системы состоят из металлов и сплавов, которые покрывают биосовместимыми и безопасными для организма человека органическими и неорганическими соединениями. Чтобы предотвратить бактериальные заражения, на поверхность имплантатов наносят антибиотики, которые должны медленно выделяться в очаге воспаления. А в патологических случаях, например, при остеоонкологии — опухолях костей, суставов и мышц, — в имплантаты внедряют противоопухолевый препарат, который также постепенно выделяется и тем самым предотвращает рецидив ракового заболевания.

Перед установкой в организм человека все медицинские имплантаты необходимо стерилизовать, но в случае сложных многокомпонентных составов это не всегда удается сделать стандартными способами. Традиционные методы вроде автоклавирования (нагрева паром под давлением) при температурах выше 100°C или обработки токсичным оксидом этилена могут не подойти: высокие температура и влажность разрушают органические покрытия и лекарственные молекулы.

Группа исследователей из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) и Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск) создала прототип умного имплантата, который постепенно высвобождает антибиотик или противоопухолевый препарат прямо в очаге заболевания — например, в костной ткани после операции по удалению костной опухоли или при лечении остеомиелита (воспаления костей).

Для этого авторы нанесли на поверхность титановой пластинки пористое покрытие из фосфата кальция — биоактивного материала, близкого по химическому составу к костной ткани. В поры этого покрытия внедрили антибиотик ванкомицин для борьбы с инфекциями, например, золотистым стафилококком, или противоопухолевый препарат фторурацил. Чтобы лекарство высвобождалось постепенно, на поверхность кальций-фосфатного покрытия нанесли биоразлагаемый сополимер, состоящий из молочной и гликолевой кислот.

Исследователи предложили альтернативный способ стерилизации таких имплантатов, чувствительных к высоким температурам и влажности. Новый подход заключается в обработке пучком ускоренных электронов (бета-излучением). Этот метод уже широко используется для обеззараживания одноразовых медицинских изделий и продуктов питания, но его влияние на сложные композитные покрытия, содержащие лекарства, ранее практически не было изучено. 

Образцы имплантата ученые облучали на линейном ускорителе электронов — устройстве, которое разгоняет электроны по прямой линии с помощью переменного высокочастотного электромагнитного поля. Авторы протестировали два режима обработки: «жесткий» (однократное облучение высокой дозой) и «мягкий» (многократное облучение малыми дозами с паузами для охлаждения).

Оказалось, что электронный пучок — куда более щадящий вариант стерилизации, чем температурная обработка под давлением и другие традиционные методы. Анализ показал, что даже после максимальной дозы облучения состав обоих препаратов, заключенных в пористый слой имплантата, практически не изменился. Для сравнения, антибиотик ванкомицин начинает разрушаться при нагревании до 70°C, поэтому при стандартной обработке (температура автоклавирования выше 100°C) вещество полностью разлагается.

Единственным чувствительным к излучению компонентом оказался полимер в составе покрытия — ученые зафиксировали, что с ростом дозы облучения его молекулярная масса уменьшилась на 12,5%. Однако это снижение было незначительным и не привело к критичным изменениям в структуре полимерного слоя. Авторы подчеркивают, что физико-химические свойства и структура покрытий также не пострадали после облучения.

Ученые проверили антибактериальные свойства образцов. Для этого до облучения на них нанесли бактериально-грибковую смесь из бактерий золотистого стафилококка Staphylococcus aureus и грибка Candida albicans, которые чаще всего вызывают инфекции при имплантациях. После этого часть имплантатов простерилизовали электронным пучком, а другую часть не обрабатывали (ее использовали в качестве контрольных образцов). Все образцы поместили в питательную среду, благоприятную для размножения микроорганизмов. 

Пробирки с необлученными образцами помутнели уже через сутки, что указывает на размножение бактерий и грибков, в то время как среда с облученными образцами осталась абсолютно прозрачной. Более того, даже через шесть месяцев хранения стерилизованные имплантаты сохранили свою стерильность и антимикробную активность.

«Наши результаты демонстрируют, что стерилизация электронным пучком — это эффективный и безопасный метод обеззараживания сложных имплантатов и систем доставки лекарств. Этот метод не нарушает структуру и химическую стабильность покрытий, гарантирует их стерильность и сохранность лекарственных свойств в течение длительного времени, что открывает путь для их клинического применения. В дальнейшем мы планируем провести доклинические испытания разработанных умных имплантатов, подверженных электронно-лучевой стерилизации, на лабораторных мышах и изучить динамику роста костной ткани в тесте эктопического костеобразования — биомедицинском тесте, который показывает, насколько материал стимулирует образование костной ткани», — 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 Surfaces and Interfaces.