На основе керамики и синтетических порошков созданы имплантаты, подобные натуральной кости
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 (Papynov et al., Synthetic CaSiO3 sol-gel powder and SPS ceramic derivatives: “In vivo” toxicity assessment). 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.
Микроструктура порошка силиката кальция, содержащего нананочастицы золота (вверху), и поверхность синтетической керамики. Рисунки из статьи Papynov et al.
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.
Пресс-служба РАН
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
