Покрытие для имплантатов
Использовать сферические наночастицы кальций-фосфата в качестве покрытия для имплантатов из сплава ВТ6 предложили ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе со своими германскими коллегами из Университета Дуйсбург—Эссен. Об этом сообщили в пресс-службе ТПУ.
ВТ6 — наиболее распространенный сплав титана с добавлением алюминия и ванадия, из которого делают медицинские имплантаты. Биологические исследования на клетках показали, что наночастицы кальций-фосфата делают поверхность имплантата супергидрофильной, то есть она хорошо смачивается жидкостями. А это значит, что живые клетки в организме пациента будут лучше взаимодействовать с имплантатом, что, в свою очередь, снижает риск его отторжения. Результаты исследования опубликованы в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
В Томском политехе исследования ведутся в Исследовательской школе химических и биомедицинских технологий — в научно-исследовательском центре «Физическое материаловедение и композитные материалы» (директор центра — Роман Сурменев).
Как рассказала «Стимулу» один из авторов статьи инженер-исследователь центра Екатерина Чудинова, в Саратовском государственном медицинском университете сейчас проводятся доклинические испытания и на их основании будет принято решение о клинических исследованиях.
«Сплав ВТ6 (Ti6Al4V) — один из самых распространенных для изготовления имплантатов. Из него делают имплантаты, например, тазобедренных суставов. Более того, этот сплав пригоден для изготовления имплантатов с помощью аддитивных технологий, в частности методом электронно-лучевого плавления. Тогда имплантаты можно “печатать” индивидуально под каждого пациента. Такой подход уже используется в разных странах. Например, в Швеции, где в Университете Центральной Швеции (город Эстерсунд) работают наши коллеги», — пояснила Екатерина Чудинова.
Однако титан сам по себе инертный металл, клетки плохо с ним взаимодействуют, и внутри организма он может отторгаться. Это серьезная проблема для современной имплантологии. Поэтому для титана необходимо найти покрытие, биологически совместимое с окружающей костной и мышечной тканью.
Кроме того, ванадий и алюминий, входящие в составе ВТ6, — токсичные элементы. Поэтому покрытие для таких имплантатов должно решать сразу две задачи: защищать организм пациента от алюминия и ванадия, а также помогать имплантату лучше приживаться.
Томские исследователи предлагают использовать покрытие из сферических наночастиц кальций-фосфата. Это соединение — минеральная составляющая человеческой кости, поэтому организм не воспринимает его как чужеродный элемент. С одной стороны, покрытие дает защиту от алюминия и ванадия, с другой — повышает биосовместимость всего имплантата.
Для экспериментальной части исследования ученые ТПУ создавали из сплава ВТ6 специальные скаффолды — по сути, это каркасы, которые служат основой для роста новой ткани в регенеративной медицине. Их изготавливали методом электронно-лучевого сплавления. А затем методом электрофоретического осаждения на них наносили покрытие — около 11 микрометров — из наночастиц кальций-фосфата.
«Была проведена комплексная работа по изучению скаффолдов и сформированному покрытию на их поверхности, определены основные характеристики полученного образца, то есть исследована его морфология, химический и фазовой состав, смачиваемость, свободная поверхностная энергия. Ключевой момент — проведение биологических исследований, то есть оценка адгезии, пролиферации и дифференциации клеток на поверхности функционализированных образцов титанового сплава ВТ6. Говоря ненаучным языком, исследования с клетками позволили нам оценить степень “сцепления” (адгезию) клеток с модифицированной поверхностью, их размножение (пролиферацию) и процесс их дальнейшего развития (дифференциация)», — рассказала Екатерина Чудинова.
Как отмечает старший научный сотрудник центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ и руководитель проекта Российского научного фонда Мария Сурменева, биологические исследования на клетках проводились в Санкт-Петербурге. Они продемонстрировали, что модифицирование поверхности кальций-фосфатными наночастицами, приводящее к значительным уменьшениям угла смачиваемости, а значит — к улучшению гидрофильности поверхности, усиливает адгезию и рост клеток. Это говорит о том, что они будут лучше прирастать к поверхности.
По словам исследователей, им первым удалось нанести на титановые подложки, сделанные методом электронно-лучевого плавления, покрытие из кальций-фосфата и при этом получить супергидрофильное покрытие.
«Ведутся исследования применения хитозана, циркония, кобальт хрома в качестве покрытий для улучшения поверхностных свойств имплантатов. Однако пока это остается на уровне исследований, информации о непосредственном внедрении имплантата, изготовленного по технологии электронно-лучевого плавления с каким-либо нанесенным покрытием, мы не встречали. На данный момент в основном используются заменители кости без покрытий, к тому же монолитные, то есть металлические, стандартных размеров, которые корректируются по размерам пациента уже в процессе операции, что вызывает повышенный риск заражения тканей, образования фиброза и так далее. Ввиду этого в рамках Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, где одним из пунктов является переход к персонализированной медицине, мы работаем в направлении решения этой проблемы, то есть над созданием имплантата по размерам пациента посредством аддитивных технологий с улучшенными поверхностными свойствами, в данном случае с помощью кальций-фосфатных наночастиц», — рассказала Екатерина Чудинова
Исследование проводится в сотрудничестве с Университетом Центральной Швеции, Университетом Дуйсбург—Эссен (Германия), Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого и Первым Санкт-Петербургским государственным медицинским университетом им. И. П. Павлова. Работа поддержана грантами Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.