Российские и белорусские ученые разрабатывают электроактивные покрытия, улучшающие приживаемость титановых имплантатов

Ученые из Института физики прочности и материаловедения им. В.Е. Панина СО РАН и других российских организаций совместно с коллегами из Белорусского национального технического университета разрабатывают электроактивные кальций-фосфатные покрытия для титановых имплантатов, идеально совместимые с костной тканью человека и препятствующие развитию бактериальных инфекций, затрудняющих их приживаемость. Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 25-43-10027) и БРФФИ.

– Несмотря на успехи современного эндопротезирования и рост числа операций, ведущие травматологические отделения фиксируют от 10 до 30 процентов неприживаемости имплантатов. Среди причин на первом месте стоит бактериальная инфекция, которая создает хроническое воспаление вокруг конструкции и нарушает процесс ее интеграции с костью, – объясняет кандидат технических наук Екатерина Комарова, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН.

Возможное решение этой проблемы связано с электростатическим взаимодействием между искусственным имплантатом и природными биоэлектретами – клетками, биомолекулами, белками и т.п., которые создают вокруг себя слабые электростатические поля. Большинство клеток, включая остеобласты, из которых состоит костная ткань, несут положительный заряд на поверхности, а бактерии заряжены отрицательно. Поэтому, если придать отрицательный заряд кальций-фосфатному покрытию медицинского имплантата, оно будет отталкивать от его поверхности бактерии и, наоборот, притягивать к себе клетки, способствуя лучшей приживаемости.

Сотрудники лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН: слева направо м.н.с. А.Д. Кашин, м.н.с. И.А. Глухов, м.н.с. Е.Б. Акимова, н.с. Е.Г. Комарова, г.н.с. Ю.П. Шаркеев, ведущий технолог Т.В. Толкачева

Новая технология создания электроактивных наноструктурных покрытий была предложена учеными из ИФПМ СО РАН с опорой на двадцатилетний опыт исследований в области медицинского материаловедения, которые проводятся под руководством доктора физико-математических наук, профессора Юрия Шаркеева, главного научного сотрудника лаборатории физики наноструктурных композитов и научного руководителя проекта с российской стороны.

Предложенная в проекте идея основывается на предыдущих биологических испытаниях на лабораторных животных, которые проводились в ведущих медицинских учреждениях России – Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии им. Г.А. Илизарова (г. Курган) и Новосибирском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна. Полученные ранее результаты показали, что, по сравнению с обычными титановыми имплантатами, обладающими определенной шероховатостью поверхности, имплантаты с электроактивными кальций-фосфатными покрытиями значительно быстрее полностью приживлялись во всех испытуемых группах без возникновения воспалительных процессов и бактериальных инфекций.

Как пояснил кандидат технических наук Александр Кашин, младший научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов, на первом этапе с помощью аддитивных технологий формируется необходимый титановый каркас – т.н. «скаффолд» (буквально – «строительные леса»), на котором потом и «вырастет» умное покрытие. Затем применяется электрохимический метод микродугового оксидирования. Продолжительность этого этапа – от 5 минут до одного часа, в зависимости от размера и конфигурации изделия-имплантата. В качестве компонентов для электролита ученые используют соединения синтезированного гидроксиапатита в виде порошка, карбонат кальция и ортофосфорную кислоту для создания жидкой проводящей среды. Синтез гидроксиапатита выполняют коллеги из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск).

– Титановый скаффолд закрепляют как электрод и помещают в подготовленную титановую ванну с электролитом. Затем на металлический образец подается положительный потенциал, а на ванну – отрицательный заряд. Между ними создается электрическое поле, под действием которого компоненты из электролита осаждаются на поверхность металла. Особенность такого метода заключается в том, что при высоких напряжениях возникают микродуговые разряды прямо на поверхности импланта, в зоне которых и происходит формирование покрытия. Оно получается пористым («губчатым») и шероховатым как настоящая кость. Именно такая структура способствует лучшей интеграции имплантата в организм, – пояснила младший научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН, аспирант Елизавета Акимова.

Процесс микродугового оксидирования

Проведенные в Республике Беларусь контрольные измерения электрических свойств созданных в ИФПМ СО РАН кальций-фосфатных покрытий показали, что они являются электретными диэлектриками – материалами, способными длительное время (более полугода) удерживать статический электрический заряд, необходимый для управления поведением клеток и бактерий.

Лабораторные образцы

Проект объединил ученых из разных организаций, каждый из них вносит свой значимый вклад. Специалисты Сибирского государственного медицинского университета (г. Томск) во главе с доктором медицинских наук, профессором Игорем Хлусовым изучают процессы взаимодействия кальций-фосфатных покрытий с клетками и живыми тканями. Доктор физико-математических наук Владимир Быстров, ведущий научный сотрудник Института математических проблем биологии РАН (г. Пущино), моделирует процессы взаимодействия кальций-фосфатных покрытий с молекулярными структурами и разрабатывает математическую модель влияния электрических сигналов, генерируемых поляризованной поверхностью электретных и пьезоэлектрических покрытий титановых имплантатов, на регуляцию клеточных функций.

Для контроля электрических свойств кальций-фосфатных покрытий создается специализированная диагностическая аппаратура. В БНТУ (г. Минск) под руководством доктора технических наук, профессора Анатолия Жарина, руководителя проекта с белорусской стороны, разрабатывают установки для измерения электрических свойств поверхностей на основе зонда Кельвина – метода контактной разности потенциалов. В Томском политехническом университете под руководством доктора технических наук, профессора Алексея Солдатова создаются установки для бесконтактного измерения интегрального потенциала поверхности изделия, предназначенные для получения общей картины распределения заряда.

В рамках реализации совместного проекта, объединившего ученых Союзного государства, планируется разработать пьезоэлектрические покрытия, в том числе на основе диоксида бария, способные под воздействием механических нагрузок генерировать собственные электрические поля для управления взаимодействия с клетками и другими биологическими структурами.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН