Благодаря гадолинию. Костный цемент стал виден на изображениях компьютерной томографии

Ученые разработали костный цемент для замещения костной ткани при ее поражениях на основе фосфатов кальция и магния, в который включили ионы гадолиния. Благодаря гадолинию материал стал прочнее, кроме того, теперь его видно на изображениях, полученных с помощью компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Изначально из-за близкого химического состава его было сложно отличить от костной ткани человека. Новый состав позволит без внутреннего вмешательства отслеживать введение материал в организм пациента в процессе хирургических манипуляций.

Следующий шаг ученых – клинические исследования разработанного материала. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в JournalofMagnesiumandAlloys.

Процесс получения цементного порошка методом химического осаждения. Источник: Полина Крохичева.

Для замещения костной ткани при ее поражениях — например, из-за остеопороза, онкологических заболеваний или различных травм — используют цементные материалы на основе полиметилметакрилата: прочного самозатвердевающего полимера, у которого есть ряд недостатков. Он нерастворим и имеет низкую совместимость с организмом из-за выраженного местно-раздражающего действия, а температура, необходимая для его затвердевания, может достигать 70°С, что иногда вызывает ожог близлежащих тканей.

Исследование возможности визуализации цементных материалов методом магнитной резонансной томографии.
Источник: Полина Крохичева.

Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (Москва) с коллегами разработали новый цементный материал на основе фосфатов кальция и магния, который обладает хорошими механическими свойствами и может способствовать образованию естественной костной ткани. Кроме того, температура его затвердевания не превышает физиологическую, что не создает опасности гибели близлежащих клеток.

Материал получил еще одно преимущество. Использующийся сейчас кальций-магний фосфатный цемент по химическому составу очень близок к естественной кости, благодаря чему он совместим с тканями организма. Но, с другой стороны, такое сходство усложняет его клиническое наблюдение в процессе хирургических манипуляций и в постоперационном периоде. Теперь же кальций-магний фосфатный цемент стал видимым с помощью компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Образец цементного материала в томографе. Источник: Полина Крохичева.

Чтобы добиться этого, исследователи ввели в структуру материала ионы гадолиния — редкоземельного металла, используемого в качестве контрастного вещества (усиливающего сигнал) при визуализации КТ. Сравнение экспериментальных образцов цемента с гадолинием и без него показало, что введение ионов гадолиния способствует повышению прочности материала.

Это объясняется тем, что гадолиний изменяет фазовый состав и микроструктуру цемента, благодаря чему он становится более устойчивым к деформации. Также ученые показали, что новый цементный материал обладает антибактериальными свойствами в отношении кишечной палочки (Escherichia coli), что позволит снизить риск развития инфекций после операций. При этом доклинические исследования нового цемента продемонстрировали его высокую совместимость с человеческими клетками.

Исследование контрастности цементных материалов с помощью микрокомпьютерной томографии. Источник: Полина Крохичева.

Разработанный костный цемент обладает рядом важных функциональных свойств — прочностью, антимикробным эффектом, биосовместимостью, возможностью визуализации с помощью КТ и МРТ, — что делает его крайне перспективным материалом для применения в реконструктивно-восстановительной хирургии. В дальнейшем мы планируем провести клинические исследования для доказательства его безопасности и эффективности.

• Владимир Комлев, доктор технических наук, профессор РАН и МГУ, член-корреспондент РАН, директор Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН

В исследовании также принимали участие сотрудники Казанского федерального университета (Казань), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова Минздрава РФ (Москва), Национального медицинского центра радиологии Минздрава РФ (Москва) и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва).

Фото: пресс-служба Российского научного фонда