Ученые Томского политехнического университета в составе международной коллаборации предложили новый комплексный подход к изготовлению и функционализации имплантатов для протезирования тазобедренного сустава. Он может лечь в основу проектирования биоактивных покрытий из фосфата кальция с заданным составом, обладающих улучшенной биоактивностью, механической и коррозионной стойкостью, и в итоге обеспечить лучшую интеграцию и больший срок службы имплантатов.
По словам ученых, число операций по тотальному эндопротезированию тазобедренного сустава (полной замене сустава на имплантат — прим.) 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. Критически важен и выбор материала для изготовления имплантата. Большинство коммерчески доступных бедренных стержней делают из титановых сплавов, содержащих алюминий, ванадий или ниобий. Однако они обладают рядом недостатков, поэтому все 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 — прим.) 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.
В данной работе ученые представили комплексный подход к созданию и функционализации имплантатов. Гироидные (трехмерная «сетка», состоящая только из волнистых поверхностей без плоских линий, — прим.) скаффолды на основе сплавов титана и ниобия были получены методом электронно-лучевого спекания. Как поясняют исследователи, гироидная 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 чего 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 совокупности экспериментально-вычислительный подход позволил создать целостную и прогностическую основу для рационального проектирования биоактивных поверхностей с заданным составом. Полученные результаты подтвердили, что точная настройка кристалличности и элементного состава покрытий из фосфата кальция имеет важное значение для оптимизации их свойств для будущих клинических применений. Контролируя такие факторы, как содержание и тип легирующей добавки, структуру и фазовый состав, можно создавать покрытия, обеспечивающие надлежащий баланс между улучшенной биосовместимостью, механической прочностью и коррозионной стойкостью, гарантируя лучшую интеграцию и долговременную работу имплантируемых медицинских устройств, — подытоживает ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Сурменева.
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).
Результаты опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Источник: Минобрнауки России
