Химики разработали гибридное защитное покрытие для временных саморастворяющихся имплантатов на основе магния. Модифицированный слой из оксида магния, соли органической кислоты омега-9 и биоразлагаемого полимера замедлил разрушение металла от коррозии в шесть раз и обеспечил контролируемое растворение материала. Изобретение поможет костям правильно срастаться после сложных переломов и избавит пациентов от повторных операций по извлечению конструкции. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
Временные имплантаты в виде пластин, винтов или сеток используют при лечении сложных переломов, когда требуется надолго зафиксировать кости в правильном положении. Однако для извлечения таких конструкций после выздоровления требуется повторное хирургическое вмешательство. Чтобы его избежать, можно изготавливать имплантаты из биодеградируемых материалов, способных полностью растворяться в организме. К ним относятся сплавы на основе магния — элемента, присутствующего в организме человека и по механическим характеристикам соответствующего свойствам натуральной кости.
Однако сейчас магний применяется в хирургии лишь для изготовления временных каркасов для расширения кровеносных сосудов (стентов), поскольку этот металл сильно подвержен коррозии. Под действием биологических жидкостей он растворяется в течение 1–3 месяцев, которых недостаточно для полного сращивания костей, а также вырабатывает токсические для организма вещества, замедляя процесс заживления и вызывая разрушение имплантата, что понижает его механическую прочность. Замедлить коррозию может керамикоподобная многокомпонентная оксидная пленка, которую формируют на поверхности металла при высоком напряжении в специальном электропроводящем растворе. Однако такое защитное покрытие имеет пористую структуру, из-за чего небольшое количество жидкости может проникать к имплантату, вызывая его разрушение.
Ученые из Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Владивосток) разработали способ заполнения пор оксидного покрытия материалом, который замедлил растворение магниевого сплава, уменьшил высвобождение токсичных для организма веществ и сделал покрытие самовосстанавливающимся. Для этого после электрохимической обработки, сформировавшей оксидный слой, изделие погружали в раствор биоразлагаемого полимера поликапролактона и олеата натрия — соли органической кислоты омега-9. Олеат натрия снижает химическую активность металлов, значительно замедляя коррозию. При этом он биосовместим и широко применяется в медицине и фармакологии, поскольку омега-9 входит в состав клеток человека и животных. Биорастворимый полимер поликапролактон, также активно используемый в медицине, загерметизировал пористую часть оксидного покрытия, пропитанную олеатом натрия, чем обеспечил его постепенное высвобождение и продлил защитное действие.
Авторы исследования (слева направо): Сергей Гнеденков, д.х.н., член-корреспондент РАН, Сергей Синебрюхов, д.х.н., член-корреспондент РАН, Андрей Гнеденков, д.х.н., профессор РАН, аспирант Валерия Филонина. Источник: Андрей Гнеденков.
В рамках исследования ученые протестировали опытные образцы из магниевого сплава без покрытия, сплава с пористым защитным слоем и с гибридными покрытиями в различной концентрации. После недельной выдержки в солевом физиологическом растворе скорость коррозии у изделий с гибридной защитой оказалась до шести раз меньше, чем у образцов с пористым слоем без пропитки. При этом покрытие было способно самовосстанавливаться: при механическом микроповреждении на гибридном слое образовывалась новая защитная пленка.
Изображения гибридного покрытия, пропитанного поликапролактоном и олеатом натрия в различной концентрации, и распределения элементов по толщине защитного слоя. Источник: Andrey S. Gnedenkov et al. / Polymers, 2023.
«Со временем с помощью аддитивных технологий, позволяющих послойно формировать трехмерные конструкции, можно будет „печатать” персонализированные временные имплантаты для каждого пациента. Постепенно растворяясь в организме, в процессе выздоровления они будут замещаться костной тканью. Разработанное нами защитное покрытие позволило контролировать скорость саморастворения магниевых конструкций, а также исключить возможное токсическое действие имплантата. Дальнейшие испытания имплантатов с гибридным покрытием на лабораторных животных помогут подтвердить эффективность данного подхода в медицинской практике. Кроме того, мы протестируем аналогичные покрытия из других биосовместимых соединений, которые могут обладать еще и антибактериальными свойствами», – рассказывает руководитель исследования, поддержанного грантами РНФ, Андрей Гнеденков, профессор РАН, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ИХ ДВО РАН.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.