Биосовместимый полимер улучшил механические свойства костных имплантатов и позволил управлять скоростью высвобождения лекарств

Ученые создали полимерное покрытие для металлических костных имплантатов, которое постепенно и равномерно разлагается на безопасные для организма соединения. Благодаря этому свойству в такое покрытие можно заключать лекарственные препараты, которые будут постепенно высвобождаться и ускорять восстановление поврежденной кости. Кроме того, эксперименты показали, что полимерный слой повышает механическую прочность имплантатов и их устойчивость к коррозии. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.

При различных повреждениях костной ткани — например в результате травм и таких болезней как рак костей — человеку устанавливают металлические имплантаты. Размещаясь в месте повреждения, они позволяют компенсировать утраченную ткань, обеспечивая необходимую опору и поддержку мышцам. Кроме того, ученые стремятся сделать так, чтобы имплантаты выполняли еще одну полезную функцию — доставляли лекарственные препараты и микроэлементы, которые бы ускоряли восстановление естественной кости. Помочь в этом могут биоактивные покрытия на основе фосфатов кальция с объемной пористой структурой, поскольку в поры можно загрузить лекарство, и после установки имплантата оно будет из них постепенно выходить в окружающие ткани. Однако добиться равномерного и контролируемого выхода лекарственного препарата сложно, поскольку он должен определенное время удерживаться покрытием и не высвобождаться из пор очень быстро.

Ученые из Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (Томск) предложили включить в кальций-фосфатные покрытия на костных имплантатах биоразлагаемый сополимер молочной и гликолевой кислот для того, чтобы управлять скоростью высвобождения лекарственных препаратов из имплантатов и тем самым улучшить функциональные свойства изделий. Использованный авторами полимер представляет собой материал, состоящий из длинных цепочек на основе двух органических кислот — молочной и гликолевой. Его выбрали потому, что он безопасен для человека и в течение определенного времени — обычно от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от соотношения исходных кислот в соединении — распадается на входящие в его состав кислоты. В результате, если в имплантат поместить лекарство и «запечатать» его сверху саморазлагающимся полимером, можно добиться того, что препарат будет постепенно, небольшими порциями выделяться в окружающую костную ткань.

В эксперименте ученые нанесли на подложку из титана — наиболее распространенного материала для изготовления имплантатов — пористое покрытие на основе соединений кальция и фосфора. Эти элементы входят в состав естественной костной ткани, поэтому используются медиками, чтобы повысить приживаемость имплантата. Затем материал погружали в растворы сополимера молочной и гликолевой кислот с разными концентрациями — 5%, 8% и 10%. В результате на поверхности покрытия сформировалась дополнительная полимерная пленка. Оказалось, что кальций-фосфатное покрытие, которое обработали 5% раствором сополимера, имело однородную пористую структуру, тогда как в покрытии с высоким содержанием сополимера (8–10%) можно было выделить два слоя: нижний — пористый, и верхний — плотный, в котором полимер заполнил большую часть пор. Такое «уплотнение» структуры привело к тому, что сопротивление материала к износу увеличилось до трех раз, а устойчивость к коррозии — на два порядка.

Затем исследователи на три недели погрузили образцы в физиологический раствор, имитирующий внутреннюю среду человеческого организма. Каждые два дня авторы взвешивали образцы, чтобы рассчитать скорость деградации полимерного и кальций-фосфатного покрытий. Эксперименты показали, что даже тонкий слой 5% сополимера приводит тому, что скорость потери массы образцов существенно снижается по сравнению с образцами без полимера. Это обеспечивает равномерный длительный выход лекарственного средства из имплантатов.

«Помимо того, что предложенный полимер позволит заключать в покрытие на костных имплантатах различные лекарства, которые будут поступать в живые ткани постепенно, он еще и улучшит механическую прочность имплантатов и предотвратит их коррозию. Все эти свойства помогут усовершенствовать существующие медицинские изделия для восстановления костей и продлить их срок службы. В дальнейшем мы планируем провести биологические испытания предложенного покрытия на клеточных культурах и на лабораторных животных», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Комарова, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН.