Ученые создали инновационные покрытия для ортопедических имплантатов, способные выделять оксид азота

Исследователи Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта совместно с коллегами провели успешные испытания нового биоактивного материала для ортопедии на основе природного минерала гидроксиапатита с добавлением оксида азота. Разработка в будущем поможет значительно снизить риск отторжения протезов и защитит пациентов от бактериальных инфекций. Результаты масштабной межвузовской работы, поддержанной госзаданием «Наука», опубликованы в журнале Applied Surface Science.

Ежегодно в мире проводится около трех миллионов операций по протезированию крупных суставов. Однако до 29% таких операций заканчиваются повторными хирургическими вмешательствами, при которых уже установленный имплантат приходится заменять новым. Это связано с тем, что традиционные имплантаты из титановых сплавов обладают отличной прочностью, но сами по себе они недостаточно «биоактивны» — не способны вступать во взаимодействие с живым организмом. Из-за этого протез может плохо срастаться с костью или становиться субстратом для роста бактерий.

Чтобы решить эту проблему, на титановые имплантаты наносят покрытия из гидроксиапатита — кальций-фосфатного минерала, близкого по составу к костной ткани, — которые помогают протезу приживаться в организме. Кроме того, чтобы наделить эти покрытия дополнительными (в том числе антибактериальными) свойствами, в них можно добавить оксид азота. Это природное соединение в определенных дозах стимулирует заживление тканей, улучшает кровоснабжение и подавляет рост бактерий.

Именно такое покрытие в рамках исследования создали специалисты из Томского политехнического университета (Томск). Для этого ученые использовали метод высокочастотного магнетронного распыления. В вакуумной камере распыляли мишень из гидроксиапатита в газовой среде, состоящей из смеси аргона и азота. Серия экспериментов позволила найти оптимальную пропорцию этих газов.

Затем исследователи из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) совместно с коллегами из Сибирского государственного медицинского университета (Томск) провели комплексную медико-биологическую проверку нового материала. Исследователи детально изучили, как живые клетки взаимодействуют с модифицированной поверхностью имплантата.

Эксперименты с мезенхимальными стволовыми клетками человека показали высокую биосовместимость материала: клетки на таких поверхностях выживали гораздо лучше, чем на чистом титане без покрытия. Интересным открытием стало то, что на ранних сроках (через 7 дней после помещения клеток на материал) покрытия с высоким содержанием азота слегка «успокаивают» клетки, снижая активность некоторых генов, отвечающих за быстрое превращение стволовых клеток в костные. При этом сам потенциал клеток к формированию кости полностью сохраняется. Это говорит о том, что покрытие работает как безопасная «подушка», процессы на которой требуют более длительного наблюдения.

«Основной задачей исследования был поиск оптимального соотношения всех компонентов синтеза. Использование кальций-фосфатных покрытий, обогащенных азотом, — это перспективный подход, который может способствовать созданию заживляющего микроокружения вокруг имплантатов, решая проблему отторжения медицинских изделий организмом», — рассказывает Владимир Малащенко, кандидат биологических наук, научный сотрудник Центра иммунологии и клеточных биотехнологий БФУ имени Иммануила Канта.

Разработка таких материалов — важный шаг к созданию персонализированных медицинских решений, которые ускорят реабилитацию пациентов и сведут к минимуму риск осложнений после сложных ортопедических операций.

«В дальнейшем мы планируем провести дополнительные исследования на стволовых клетках на более поздних сроках — от 10 до 28 дней, а также изучить растворимость полученных покрытий и то, с какой скоростью и в каких объемах молекулы оксида азота будут выделяться в окружающие ткани в условиях живого организма», — подводит итог Владимир Малащенко.

В исследовании также принимали сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург).