Ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) предложили комплексный подход для разработки прототипов имплантатов из биорезорбируемого магниевого сплава с нанесенным на них сложным трехслойным покрытием. Такие винты и пины способны раствориться в организме после восстановления костной ткани, благодаря чему пациент сможет избежать операции по их извлечению.
«Наша лаборатория физики наноструктурных биокомпозитов в течение длительного времени успешно работает над созданием различных биоматериалов на основе не вызывающих отторжения металлов и сплавов, к которым относятся титан, ниобий, цирконий и их сплавы. При этом мы занимаемся разработкой как самих материалов, так и наносимых на них биопокрытий различного типа, в том числе и защитных. Сейчас одним из самых перспективных сплавов является магниевый, способный активизировать рост костной ткани и растворяться затем в организме. Однако для его широкого внедрения в медицину нужно научиться контролировать скорость его резорбции (растворения) в организме», — рассказал руководитель исследования профессор, доктор физико-математических Юрий Петрович Шаркеев.
Для получения безопасных имплантатов ученым потребовалось решить несколько фундаментальных задач. Прежде всего, для получения нужной механической прочности магниевого сплава с помощью интенсивной пластической деформации они изменили его привычную крупнокристаллическую структуру на ультрамелкозернистую. Это необходимо для того, чтобы после проведенной операции медицинское изделие в течение трех-четырех месяцев, пока оно растворяется и замещается новой костной тканью, могло выдерживать оказываемые организмом нагрузки.
Затем потребовалось разработать оптимальные составы трехслойных биоактивных и защитных покрытий, получаемых в результате модификаций поверхности сплава. Это нужно для того, чтобы винты или пины простояли отведенный срок, не растворившись раньше времени, а микроэлементы, входящие в состав покрытия, стимулировали восстановление кости (без такой защиты имплантат из магниевого сплава в среднем растворяется за месяц).
Циклические испытания образца в растворе, имитирующем биологическую жидкость
Структура защитных покрытий состоит из трех слоев. Как пояснил научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН Константин Александрович Просолов, первый слой, наносимый с помощью микродугового оксидирования, это кальций-фосфатное покрытие с остеокондуктивным микроэлементом — стронцием. В пористую структуру этого покрытия можно внедрять препараты, способствующие росту костной ткани.
Второй слой — полимер PLGA, состоящий из молочной и гликолевой кислот, его назначение — инкапсулировать и изолировать пористую структуру кальций-фосфатного покрытия, чтобы предотвратить растворение изделия на ранних этапах имплантации. Толщина этого слоя регулирует скорость растворения композита.
И наконец, третий слой покрытия состоит из оксида титана или циркония. Его функция — увеличить биосовместимость и механические свойства поверхности композита. Наносится третий слой методом высокочастотного магнетронного распыления.
Следует отметить, что исследователи разработали специальный прибор-приставку для проведения циклических механических испытаний имплантатов в среде, имитирующей биологическую среду организма. С его помощью исследуются физико-химические свойства модельных медицинских изделий на каждом этапе модификации их поверхности. Комплекс всех требуемых на этом этапе испытаний проводится в ИФПМ СО РАН совместно с лабораториями контроля качества материалов и конструкций и физикохимии высокодисперсных материалов. Кооперация не ограничивается работами на территории ИФПМ СО РАН, специалисты отдела электрохимических систем и процессов модификации поверхности Института химии Дальневосточного отделения РАН проводят прецизионные исследования характера протекания процесса биокоррозии на каждом этапе модификации поверхности.
Томские материаловеды планируют продолжить работы. Совместно с учеными-биологами и медиками они смогут разработать подходы к испытаниям образцов, в частности исследовать процессы роста клеток и электрические свойства, влияющие на развитие различных бактерий на поверхности изделий.
Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 23-13-00359).
Ольга Булгакова, пресс-служба ТНЦ СО РАН
Фото Веры Зерновой