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.
Картинка 1.
Микроструктура порошка силиката кальция, содержащего нананочастицы золота.
Источник: Evgeniy K. Papynov et al. // Progress in Natural
Science: Materials International, 2019
Картинка 2. Пористая
поверхность синтетической керамики. Источник: Evgeniy K. Papynov et al. //
Progress in Natural Science: Materials International, 2019
Картинка 3,4.
Клинические испытания имплантатов из полученных биоматериалов. Источник:
Евгений Папынов
Картинка 5. Источник:
Евгений Папынов