На основе керамики и синтетических порошков созданы имплантаты, подобные натуральной кости

12.11.2019



Ученые нашли способ создания биоматериалов из синтетических порошков и керамики на основе силиката кальция и его биологически активных композитов. Полученные из них имплантаты по структуре и свойствам подобны натуральной кости и могут стимулировать ее рост в организме человека. Статья об этом опубликована в журнале Progress in Natural Science: Materials International. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Биоматериалы работают в непосредственном контакте с живыми тканями и клетками внутри организма. Наиболее крупные области их применения – производство медицинских имплантатов, в том числе костных. В качестве исходного сырья используются распространенные дешевые и доступные природные материалы, а технологии позволяют делать их биоактивными. Попадая в организм, такие системы взаимодействуют с костной тканью: стимулируют рост, способствуют миграции, делению и дифференцировке клеток.

К таким материалам существуют свои требования. Во-первых, они не должны оказывать отрицательного влияния на живые системы. Это главное условие, которое определяется химическим составом, свойствами поверхности и физическими показателями компонентов материала. Во-вторых, у искусственной кости должна была пористая структура. Только тогда клетки костной ткани и кровеносные сосуды прорастают внутрь имплантата. В-третьих, необходимо, чтобы материал обладал биологически активными свойствами, мог влиять на физиологические процессы в организме. Также его компоненты не должны конкурировать между собой в реакциях внутри клеток и препятствовать росту костей. Например, в одном биоматериале невозможно совмещать кальций и конкурирующий с ним алюминий. Ранее было доказано, что биологически активный порошок силиката кальция положительно влияет на метаболизм.

«Обычный протез из силиката кальция, который будет инертен в организме, получить довольно просто. А для того чтобы сделать его биологически активным, надо применять специальные технологии, включая новые и мало изученные», – говорит руководитель проекта Евгений Папынов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии Дальневосточного отделения РАН (Владивосток).

Преимущество созданных синтетических материалов в том, что при производстве им можно задавать нужные характеристики и свойства. Тогда керамика и порошки силиката кальция примут любую форму необходимого размера. По отдельности эти материалы используются в разных сферах хирургии. Порошки применяют для борьбы с мелкими челюстно-лицевыми дефектами, при наращивании костной ткани и зубном протезировании. Керамика способна выдерживать значительные нагрузки и применяется в более масштабных операциях, например, замене целой кости или сустава.

Авторы новой статьи нашли способ, который делает керамику и порошок силиката кальция активными при введении их в организм, но при этом сохранится необходимая для имплантатов структура и прочность. Для синтеза порошка использовали золь-гель технологию. Это хорошо изученный и достаточно популярный в мире метод: исходный раствор становится порошком из наночастиц. При работе с керамикой исследователи применяли оригинальную технологию искрового плазменного спекания – синтеза керамики из полученных ранее порошков силиката кальция с разными биологически активными добавками. Эта технология еще мало изучена в мире.

«Из одного сырья мы получаем биологически активный наноструктурированный порошок с заданным составом. И при необходимости превращаем его в плотную керамику нужного размера и профиля», – поясняет Евгений Папынов.

Преимущество таких изделий – в сочетании полного набора совместимых с организмом свойств самих материалов и доступных методов их синтеза. А добавки наночастиц благородных металлов – золота и серебра – придают имплантатам антибактериальные и противовоспалительные свойства.

Полученные из этих материалов протезы можно считать высококачественным продуктом. Исключительная биологическая совместимость позволяет протезировать пациентов любого возраста. Также для костной хирургии это относительно дешевые и доступные биоматериалы из отечественного сырья. В будущем имплантаты могут поступить в промышленное производство, и наоборот, будут востребованы в области персонализированной медицины.

Исследование занимает приоритетное место в перечне ключевых Стратегий НТР РФ и направленно на развитие высокотехнологичного здравоохранения.

В разработке также принимали участие ученые из Дальневосточного Федерального университета, Тихоокеанского государственного медицинского университета и Тихоокеанского института биоорганической химии имени Г. Б. Елякова.

(jpg, 86 Kб)

Картинка 1. Микроструктура порошка силиката кальция, содержащего нананочастицы золота. Источник: Evgeniy K. Papynov et al. // Progress in Natural Science: Materials International, 2019

(jpg, 86 Kб)

Картинка 2. Пористая поверхность синтетической керамики. Источник: Evgeniy K. Papynov et al. // Progress in Natural Science: Materials International, 2019

(jpg, 169 Kб) 
(jpg, 393 Kб)

Картинка 3,4. Клинические испытания имплантатов из полученных биоматериалов. Источник: Евгений Папынов

(jpg, 388 Kб)

Картинка 5. Источник: Евгений Папынов

©РАН 2019