Томские ученые предложили новый подход к созданию имплантатов для эндопротезирования

Ученые Томского политехнического университета в составе международной коллаборации предложили новый комплексный подход к изготовлению и функционализации имплантатов для протезирования тазобедренного сустава. Он предполагает использование биоактивных покрытий из фосфата кальция с заданным составом, обладающих улучшенной биоактивностью, механической и коррозионной стойкостью.

Как сообщает пресс-служба вуза, число операций по полной замене сустава на имплантат продолжает расти. Кроме того, увеличивается и число повторных операций. Среди основных причин — асептическое расшатывание, износ и выход из строя имплантата и другие. Срок службы коммерческих металлических имплантатов ограничен и зависит от активности образа жизни человека. И большая их часть доступна лишь в стандартизированных размерах. Поэтому разработка персонализированных имплантатов остается одной из важнейших задач.

Один из перспективных методов производства частично или полностью индивидуализированных по форме и функциям имплантатов — электронно-лучевое спекание. Он относится к методам трехмерной печати. В нем критически важен и выбор материала для изготовления имплантата. В этом вопросе се больший интерес вызывают титановые сплавы, содержащие биосовместимые легирующие элементы, например, ниобий. Чтобы улучшить взаимодействие имплантата с тканью, повысить остеинтеграцию и минимизировать долгосрочные осложнения, применяют различные методы модификации поверхности. Например, наносят покрытия на основе гидроксиапатита (фосфата кальция) методом плазменного напыления. Такие покрытия химически схожи с костным минералом, отличаются хорошей остеокондуктивностью и способствуют быстрому образованию костной ткани.

— Нанесение покрытий методом высокочастотного магнетронного напыления обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с плазменным напылением. Такой подход позволяет получить плотные и композиционно однородные пленки, а также значительно улучшает адгезию и сохраняет химическую целостность гидроксиапатита, минимизируя цитотоксичность побочных продуктов. Еще один перспективный подход — покрытия на основе гидроксиапатита, легированные ионами магния и стронция, что дает синергетический эффект, улучшающий биоактивность и адгезию покрытия, — говорит инженер Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Козадаева.

Ученые представили комплексный подход к созданию и функционализации имплантатов. Гироидные (трехмерная «сетка», состоящая только из волнистых поверхностей без плоских линий) скаффолды на основе сплавов титана и ниобия были получены методом электронно-лучевого спекания. Такая структура отражает мотивы, встречающиеся в природе, для повышения механических характеристик и биологической интеграции. Затем на скаффолды методом высокочастотного магнетронного напыления наносились покрытия из гидроксиапатита, легированного ионами магния, ионами стронция, а также ионами и магния, и стронция одновременно. После анализировались свойства полученных образцов, а цитосовместимость скаффолдов, активность щелочной фосфатазы, уровни отложения кальция и производства коллагена были изучены in vitro на преостеобластических клетках.

— Первопринципные расчеты на уровне электронной структуры показали, что внедрение стронция практически не нарушает дальний порядок кристаллической решетки, тогда как магний создает зоны локальных микронапряжений и способствует аморфизации структуры. Это напрямую объясняет, почему именно легирование стронцием повышает механическую прочность, а магнием — снижает ее при сохранении биосовместимости, — добавляет старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Ирина Грубова.

Отмечается, что наиболее сбалансированное сочетание структурной стабильности, коррозионной стойкости, механической прочности и биологических свойств продемонстрировали покрытия на основе фосфата кальция, легированного ионами и магния, и стронция, что делает его наиболее перспективным для модификации поверхности ортопедических скаффолдов.

В исследовании приняли участие сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, Национального института исследований и разработок в области оптоэлектроники (Румыния), Политехнического университета Бухареста (Румыния), Критского университета (Греция), Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, Университета Марбурга (Германия), Боннского университета (Германия), Института электронной структуры и лазеров (Греция), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск), Средне-Шведского университета (Швеция).

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».