Когда мы говорим об имплантатах — будь то зубные, суставные или другие медицинские конструкции, внедряемые в организм, — мы редко задумываемся о том, насколько важна их поверхность на микроскопическом уровне. А ведь именно поверхность имплантата первой встречается с клетками нашего тела, и от её характеристик зависит, приживётся ли конструкция или будет отторгнута. Российские учёные из МГТУ им. Баумана, МИСиС и Института химической физики РАН провели масштабный обзор исследований, посвященных нано- и микрошероховатости имплантатов, и пришли к выводам, которые меняют представление о том, как должны выглядеть идеальные поверхности для вживления.
Оказывается, абсолютно гладкая поверхность — это не хорошо, а плохо. Клетки нашего организма, чтобы нормально закрепиться и начать расти, нуждаются в микронеровностях, за которые они могут цепляться своими крошечными выростами — псевдоподиями. Без таких «зацепок» клетки просто не смогут распластаться на поверхности и выполнять свои функции. Но и слишком шероховатая поверхность тоже не подходит — важно найти золотую середину, и для разных типов тканей она будет своей.
Особую озабоченность ученых вызывают химически опасные материалы, которые могут выделять токсичные вещества при контакте с организмом. Если поверхность имплантата имеет высокую шероховатость и при этом изготовлена из легко разрушаемого материала, возрастает риск того, что его частицы попадут в биохимические процессы организма и могут нарушить нормальное восстановление тканей. Это особенно критично при использовании пескоструйной обработки или агрессивного травления — такие методы могут не только создавать нужную текстуру, но и оставлять на поверхности опасные химические следы или микрочастицы, способные спровоцировать воспаление или аллергию.
Ученые обнаружили удивительный факт: микротопография поверхности может влиять на экспрессию белков и работу рецепторов клеток. То есть, форма неровностей на имплантате буквально «разговаривает» с клетками, определяя их поведение, специализацию и даже судьбу. На титановых сплавах, например, было показано, что комбинация нано- и микрошероховатостей существенно меняет профиль экспрессии интегринов — белков, ответственных за прикрепление клеток к окружающей среде и передачу сигналов между ними. В некоторых случаях микрошероховатость может подавлять развитие одних типов клеток и стимулировать другие, что даёт возможность управлять процессом регенерации.
Для костной ткани, которая обладает пьезоэлектрическими свойствами, шероховатость поверхности имеет дополнительное значение. Механические нагрузки создают электрические потенциалы, стимулирующие остеобласты — клетки, строящие костную ткань. Поэтому современные исследователи активно разрабатывают имплантаты из ферроэлектрических и пьезоэлектрических материалов, где микронеровности работают в тандеме с электрическими свойствами, усиливая регенерацию.
Но не только костные клетки реагируют на текстуру поверхности. Макрофаги — клетки иммунной системы — меняют свою активность в зависимости от шероховатости и смачиваемости поверхности. Кровяные тельца тоже чувствуют разницу: некоторые виды обработки металлов могут усиливать тромбообразование или, наоборот, препятствовать ему. Нервные клетки реагируют на так называемый «эффект острия» — области с максимальной кривизной создают поля напряжённости, влияющие на их рост и развитие.
Интересно, что подходы к созданию оптимальной шероховатости кардинально различаются для жёстких металлических имплантатов и мягких полимерных скаффолдов — трёхмерных каркасов для выращивания тканей. Если для зубных имплантатов достаточно обработки поверхности методами анодирования или пескоструйной обработки, то для полимерных конструкций используют специальные порогены — вещества, которые вымываются из материала, оставляя после себя сеть связанных пор, необходимых для прорастания клеток и сосудов. Причём полимерные плёнки имеют разную шероховатость с наружной и внутренней сторон, что зависит от условий их формирования — так, сторона, контактирующая с воздухом при высыхании, всегда более шероховатая, чем сторона, прилегающая к стеклу.
Ученые предупреждают: методы обработки поверхности, такие как плазменное травление, могут одновременно изменять и шероховатость, и химический состав поверхности. Например, повышение энергии плазмы увеличивает содержание кислорода и шероховатость, но при этом может ухудшить васкуляризацию — образование новых сосудов в месте имплантации. Это показывает, насколько важен комплексный подход: нельзя улучшать один параметр в ущерб другим.
Для измерения шероховатости ученые используют целый арсенал методов — от атомно-силовой микроскопии, позволяющей видеть поверхность на уровне отдельных нанометров, до сканирующей электронной микроскопии с различными режимами детектирования. Важно не просто измерить высоту неровностей, но и понять их текстуру, форму, распределение. Современные исследования всё чаще применяют фрактальный и мультифрактальный анализ — подходы, которые позволяют описывать сложные, само-подобные структуры, характерные для биологических тканей.
Отдельного внимания заслуживает проблема бактериального обрастания. Шероховатость поверхности определяет, насколько легко бактерии могут закрепляться на имплантате и формировать биоплёнки, которые становятся источником хронической инфекции. Для разных типов микроорганизмов оптимальны разные масштабы неровностей — где-то помогают наноразмерные структуры, а где-то микронные. Поэтому при проектировании антибактериальных поверхностей учитывают целый комплекс факторов: от химического состава до реологических свойств и микромеханики поверхности. Причем эти же принципы работают не только в медицине, но и в строительстве, экологии, морской инженерии — везде, где нужно контролировать обрастание поверхностей.
Авторы обзора подчеркивают, что биосовместимость — это функция не только микротопографии, но и химических процессов, происходящих на границе раздела «имплантат-ткань». Оптимальный подход — биомиметический, то есть максимально приближенный к естественным биологическим структурам. Однако точное воспроизведение природных поверхностей техническими средствами пока невозможно, поэтому исследователи ищут способы создания таких текстур, которые были бы не только физически схожи с биологическими прототипами, но и биологически информативны — то есть несли бы нужные сигналы для клеток.
В работе приводится конкретный пример исследования плёнок из сополимеров винилиденфторида — материалов, широко используемых в биомедицине благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам. Оказалось, что шероховатость поверхности этих плёнок сильно зависит от типа растворителя и условий кристаллизации: одни растворители дают более развитую морфологию, другие — более гладкую поверхность. А это, в свою очередь, влияет на то, как клетки будут взаимодействовать с таким материалом.
Итогом обзора становится важный практический вывод: при создании имплантатов необходимо одновременно контролировать несколько параметров поверхности — не только традиционные показатели шероховатости вроде Ra (среднее арифметическое отклонение профиля), Rq (среднеквадратичное отклонение), Rz (высота неровностей) и Rsk (асимметрия профиля), но и текстурные характеристики, такие как шаг неровностей Sm. А главное — нужно учитывать, что изменение шероховатости почти всегда сопровождается изменением химических свойств поверхности, и эти изменения могут быть не менее важны для биосовместимости.
В ближайшем будущем, как полагают авторы, в этой области произойдёт настоящая революция благодаря развитию машинного обучения. Искусственный интеллект сможет анализировать накопленные литературные данные и предлагать оптимальные методы обработки поверхности под заданные биологические свойства — достаточно будет сформулировать запрос обычным языком. Это откроет путь к созданию имплантатов с заранее предсказуемыми свойствами, которые будут идеально подходить каждому конкретному пациенту.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания по разработке полимеров и композиционных материалов нового поколения.
Исследование опубликовано в журнале «Химическая безопасность»
