Специалисты Томского политеха в составе международной группы исследователей представили новый способ производства и функционализации имплантатов для замены тазобедренного сустава. Разработка может стать основой для проектирования биоактивных покрытий из фосфата кальция с заданными свойствами, сообщает пресс-служба вуза. Такие покрытия отличаются улучшенной биоактивностью, повышенной механической и коррозионной стойкостью, что обеспечивает лучшую приживаемость и более долгий срок службы имплантатов.
Число операций по полной замене тазобедренного сустава продолжает расти. Вместе с ним увеличивается и количество повторных вмешательств. Среди ключевых причин — асептическое расшатывание, износ и выход имплантата из строя. Срок службы металлических изделий ограничен и зависит от образа жизни пациента. Кроме того, большинство имплантатов выпускается только в стандартных размерах, поэтому создание персонализированных конструкций остается важной задачей.
Для производства частично или полностью индивидуальных по форме и функциям имплантатов применяют электронно-лучевое спекание. Этот метод относится к технологиям трехмерной печати. Критическое значение имеет и выбор материала. Чаще всего бедренные стержни делают из титановых сплавов с добавлением алюминия, ванадия или ниобия. Однако у таких материалов есть недостатки. Все больший интерес вызывают сплавы титана с биосовместимым ниобием. Чтобы улучшить взаимодействие имплантата с тканью, на него наносят покрытия на основе гидроксиапатита — фосфата кальция. Их обычно наносят методом плазменного напыления. Эти покрытия химически похожи на костный минерал, обладают хорошей остеокондуктивностью и помогают 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», — пояснила инженер Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Козадаева.
В своей работе ученые впервые объединили несколько подходов. Они изготовили гироидные скаффолды — объемные сетчатые структуры без плоских линий — из сплавов титана и ниобия методом электронно-лучевого спекания. Такая структура повторяет природные мотивы и повышает механические характеристики и биологическую интеграцию. Затем на эти каркасы с помощью высокочастотного магнетронного напыления нанесли покрытия из гидроксиапатита. В одни образцы добавили ионы магния, в другие — стронция, в третьи — оба элемента одновременно. После этого специалисты изучили свойства полученных образцов, а их цитосовместимость, активность щелочной фосфатазы, уровни отложения кальция и выработки коллагена проверили в лабораторных условиях 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», — добавила старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Ирина Грубова.
Наиболее сбалансированное сочетание структурной стабильности, коррозионной стойкости, механической прочности и биологических свойств показали покрытия, легированные одновременно ионами магния и стронция. Именно такой вариант признан самым перспективным для модификации поверхности ортопедических скаффолдов. По словам исследователей, комбинированный экспериментально-вычислительный подход позволил создать целостную основу для рационального проектирования биоактивных поверхностей с заданным составом. Результаты подтвердили: точная настройка кристалличности и элементного состава покрытий из фосфата кальция критически важна для оптимизации их свойств перед клиническим применением.
«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», — подытожила 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 имени Гавриила Державина, Университета Марбурга (Германия), Боннского университета (Германия), Института электронной структуры и лазеров (Греция), Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) и Средне-Шведского университета (Швеция).
