Специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с международной командой ученых разработали уникальные пористые структуры для костных имплантатов. Материалы, имитирующие природную кость, могут стать основой для нового поколения медицинских изделий, значительно улучшив восстановление пациентов после тяжелых травм.
Основная проблема современных имплантатов, как поясняют ученые, заключается в разнице упругости искусственного материала и живой кости. Из-за этого имплантат берет на себя основную нагрузку, а окружающие костные ткани ослабевают — это явление известно как «эффект экранирования напряжений». Оно вызывает дискомфорт и может привести к отторжению имплантата организмом.
Томские исследователи нашли решение. Они создали так называемые скэффолды — каркасы из биосовместимого сплава титана и ниобия. Эти каркасы имеют контролируемую пористость, точно повторяющую структуру естественной костной ткани.
«Мы изготовили скэффолды, имитирующие по структуре пористую архитектуру костной ткани. Они имеют сложную структуру с точки зрения их топологии и микроскопических/макроскопических свойств. При этом на каждый элемент структуры нанесено биоактивное наноструктурное высокочастотное (ВЧ) магнетронное покрытие, задача которого защитить материал от коррозии и обеспечить совместимость с организмом», — рассказала руководитель исследования, ведущий научный сотрудник НИЦ «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Сурменева.
Ключевой элемент разработки — специальное биоактивное покрытие. Сначала ученые нанесли его методом ВЧ-магнетронного распыления на плоские пластины из нового сплава и тщательно изучили его свойства. Затем покрытие было нанесено на сами пористые скэффолды, изготовленные с помощью 3D-технологий.
«Исследования показали, что нанесение биоактивного покрытия улучшило защиту материала от коррозии», — подтвердила соавтор исследования, инженер НИЦ «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Козадаева.
Биологические испытания (in vitro) доказали высокую совместимость материала с живыми клетками. Ученые обнаружили прямую связь между содержанием ниобия в сплаве и способностью клеток размножаться.
«Образцы сплава с повышенным содержанием ниобия (56 ат.%) и биоактивным покрытием обеспечили максимальные значения остеогенных маркеров (отложение кальция и выработка коллагена). Полученные данные подтверждают высокий потенциал разработанного материала для применения в регенеративной костной инженерии», — отметила старший научный сотрудник НИЦ ТПУ Ирина Грубова.
Дальнейшая работа коллектива будет сосредоточена на поиске новых составов биоактивных покрытий для достижения еще более высоких показателей биосовместимости имплантатов.
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом международном журнале Ceramics International. В проекте участвовали ученые из Томского политеха, Румынии (Национальный институт исследований и разработок в области оптоэлектроники, Национальный университет наук и технологий «Политехника» в Бухаресте), Греции (Университет Крита, Институт электронных структур и лазеров), Германии (Марбургский университет) и Швеции (Университет Средней Швеции).
