Из оксидов титана и цинка. Ученые создали биосовместимое нанопокрытие для имплантов

8 сентября 2024 3 мин.

Исследователи Санкт‑Петербургского университета с коллегами из других научных организаций разработали нанопокрытие из оксидов титана и цинка, которое при нанесении на импланты из сплава титана и никеля делает их биосовместимыми, безопасными и долговечными.

В современной медицине все еще высок процент отторжения металлических имплантов из‑за бактериального загрязнения поверхности материала и образования бактериальной биопленки в теле человека. При этом использование антибиотиков и активных бактерицидных материалов или покрытий в ряде случаев невозможно из‑за возникающего негативного клеточного отклика организма (или цитотоксичности).

Многие металлические материалы медицинских имплантов недостаточно стабильны при длительном функционировании из‑за биокоррозии, развитие которой приводит к преждевременной потере необходимых механических характеристик или избыточному растворению материала импланта и негативным последствиям для организма.

Ученые Санкт‑Петербургского университета предложили решить проблему с помощью нанопокрытий на основе химически стабильного и биосовместимого оксида титана и оксида цинка, обладающего антибактериальными свойствами. В качестве материала, на который целесообразно нанести такое покрытие, химики использовали нитинол. Нитинол представляет собой сплав титана и никеля и обладает эффектом памяти формы: при нагревании материал всегда возвращается в исходную форму, независимо от того, как сильно он был деформирован.

Результаты исследований показали, что правильный подбор соотношения данных оксидов позволяет успешно комбинировать антибактериальные и антикоррозионные свойства с высокой степенью биосовместимости по отношению к остеобластоподобным и мезенхимальным стволовым клеткам человека.

Денис Назаров, первый автор исследования и руководитель гранта, старший научный сотрудник кафедры химии твердого тела СПбГУ

По словам ученого, для получения качественных покрытий важно выбрать правильный метод их синтеза, который позволит регулировать состав покрытий с высокой точностью и в широком диапазоне. Кроме того, для потенциального массового использования в будущем этот метод должен быть масштабируем, при этом важно учитывать, что импланты могут иметь разнообразную и сложную форму, а их поверхность может быть очень шероховатой и даже пористой. В связи с этим метод получения должен позволять наносить покрытия на всю поверхность, желательно с максимальной равномерностью и однородностью. С учетом данных требований химики СПбГУ решили использовать метод атомно‑слоевого осаждения (АСО), также известный как молекулярное наслаивание. Этот метод основан на проведении химических реакций между газообразными реагентами и поверхностью подложки.

В качестве подложек‑имплантов использовались цилиндры и диски из полученного методом 3D‑печати нитинола. Сначала поверхность подложки‑импланта обрабатывается парами титан- и цинксодержащих реагентов, затем избыток реагентов и продукты химической реакции удаляются, после чего поверхность обрабатывается парами воды, а затем удаляется ее избыток. В результате на поверхности образуется слой покрытия, не превышающий по толщине нескольких десятых нанометра. При этом процесс можно повторять многократно и наращивать покрытие необходимой толщины.

Благодаря тому, что получение покрытий основано на циклических процессах, можно получать покрытия изначально заданной толщины, меняя количество циклов, а варьируя тип и количество напусков химических реагентов, можно регулировать состав покрытий.

Денис Назаров

Для оценки взаимодействия имплантов с различными способами обработки их поверхности с костной тканью ученые использовали клеточную линию остеосаркомы человека (MG‑63) и мезенхимные клетки костного мозга эмбриона (FetMSC). Клеточные линии были получены в центре коллективного пользования «Коллекции культур клеток позвоночных» Института цитологии РАН.

В результате проведенного нами скрининга было выбрано несколько наиболее оптимальных вариантов обработки поверхности имплантов, которые обладали хорошими адгезивными свойствами, не вызывали цитотоксического эффекта и дополнительно оказывали остеоиндуктивное действие на клетки MG‑63, что представляется крайне важным для успешной интеграции имплантов в костную ткань.