Ученые Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН исследуют новый композиционный материал для биоразлагаемых медицинских имплантатов. Введение магнитных наночастиц Fe-Fe₃O₄ в матрицу полимолочной кислоты (PLA) привело к увеличению механической прочности, повышению рентгеноконтрастности и способствовало равномерной биодеградации полученного материала.

В настоящее время традиционные технологии получения имплантируемых устройств позволяют производить биоинертные материалы, обладающие необходимыми механическими характеристиками. Однако большой проблемой остается их возможное разрушение, непрогнозируемый иммунный ответ, атрофия костной ткани и другие негативные реакции организма на присутствие инородного материала. Поэтому имеет неоспоримые преимущества использование биорезорбируемых (биодеградируемых) имплантатов, которые по мере растворения замещаются тканью организма с образованием нетоксичных продуктов растворения, что устраняет необходимость повторной операции для удаления фиксирующих устройств.

Наиболее исследованными и применимыми биоразлагаемыми синтетическими полимерами являются полимолочная кислота (PLA). Биоразлагаемые материалы на основе PLA обладают биосовместимостью, а модуль упругости PLA аналогичен модулю упругости человеческой кости, поэтому она является идеальной матрицей для создания костных каркасов. Однако PLA является хрупким материалом: относительное удлинение до разрушения составляет всего около 3%. Кроме того, PLA имеет низкую рентгеноконтрастность, что затрудняет оценку деградации и положения имплантата после установки методами магнитно-резонансной и компьютерной томографии. Наконец, продукты разложения PLA повышают кислотность биологических сред и их токсичность, что снижает остеоиндуктивность (возможность индуцировать формирование молодых клеток костной ткани) и может вызывать в дальнейшем воспалительные процессы. Для регулирования свойств PLA перспективным является создание на ее основе композитов, наполненных наночастицами железа.

Железосодержащие сплавы обладают значительно большей прочностью, что необходимо для создания имплантатов для костей, несущих нагрузку. Однако применение магнитных наночастиц железа ограничено их низкой скоростью коррозии, а, следовательно, и биодеградации. Для увеличения скорости коррозии российские ученые предложили использовать композитные наночастицы, сочетающие железо и магнетит (Fe-Fe₃O₄).

Для получения наночастиц использовался электрический взрыв железного проводника диаметром 0,3 мм и длиной 65 мм в кислородосодержащей атмосфере (аргон + 1 объемный % кислорода). Режим быстрого взрыва реализуется при протекании по проволоке импульса тока с плотностью 10⁷–10⁸ А/см².

Рис. 1. Характерные изображения синтезированных наночастиц Fe-Fe₃O₄. Помимо сферических наблюдаются частицы шестиугольной и прямоугольной формы. Средний размер частиц составил 68 ± 2 нм.

При электрическом взрыве на поверхности наночастиц железа формируется тонкий оксидный слой Fe₃O₄. Причем, полученные наночастицы имеют структуру, состоящую из ядра и оболочки (рис. 1, в). Ядро состоит из железа, оболочка – из оксида железа. Такое покрытие наночастиц железа оболочкой оксида железа придает им биосовместимость.

Рис. 2. Образец композита Fe-Fe₃O₄@PLA (слева) и оптические изображения пленок образцов с различным содержанием наночастиц: 5% (а), 10% (б), 15% (в).

Для получения композита порошок PLA перемешивался с наночастицами в концентрации 5%, 10% и 15% (по массе). Затем твердая смесь в виде нарезанных гранул загружалась в двухшнековый экструдер для получения нити композита диаметром 1,75 мм. После этого из полученной нити при помощи лабораторного 3D-принтера печатались образцы, необходимые для проведения исследований (рис. 2).

Рис. 3. Компьютерно-томографические изображения образцов композита Fe-Fe₃O₄@PLA с различным содержанием наночастиц: 0% (а), 5% (б), 10% (в), 15% (г).

 Обладая низкими удельным весом и электронной плотностью, имплантаты на основе PLA не могут быть обнаружены с помощью компьютерной и магнитно-резонансной томографии, что не позволяет оценить деградацию и положение устройства после установки. Образец из чистого PLA не дает контрастного изображения в рентгене (рис. 3, а), тогда как наличие наночастиц Fe-Fe₃O₄ значительно улучшает рентгеноконтрастность изображений (рис. 3, б–г). Даже в концентрации 5% такие образцы можно легко идентифицировать. Наличие наночастиц Fe-Fe₃O₄ значительно улучшило рентгеноконтрастность изображений композитного материала Fe-Fe₃O₄@PLA, что позволяет снизить интенсивность рентгеновского излучения для получения изображений высокого качества.

Рис 4. На графике слева: зависимость напряжения от величины относительной деформации при растяжении образцов с различным содержанием наночастиц. На графике в центре: относительная потеря массы образцов с различным содержанием наночастиц. На графике справа: количество живых клеток после контакта с экстрактом образцов Fe-Fe₃O₄@PLA с различным содержанием наночастиц.

В результате исследований свойств полученного российскими учеными материала установлено, что введение наночастиц Fe-Fe₃O₄ в объем образцов из PLA (до 10%) придает дополнительную прочность материалу (рис 4, слева). Однако при увеличении содержания наночастиц до 15% прочностные свойства снижаются, что указывает на существование некоторого предельного содержания наночастиц, до которого пластичность композита растет. Причина в том, что при большом содержании наночастиц в материале они начинают формировать агломераты (рис. 2, в), которые являются сильными концентраторами напряжений.

 Скорости деградации, рассчитанные по потере массы после 40 дней экспозиции композитов с содержанием 5%, 10% и 15% наночастиц в растворе, моделирующем биологическую среду, составили 0,11 мг/см², 0,20 мг/см² и 0,32 мг/см² в день соответственно. Для сравнения, скорость разложения PLA в условиях эксперимента составила 0,03 мг/см² в день. Таким образом, присутствие наногальванических пар Fe/Fe₃O₄ значительно увеличивает скорость коррозии полученного композита (рис. 4, в центре).

Наконец, как видно на графике на рис. 4 (справа), наночастицы Fe-Fe₃O₄ оказывают положительное влияние на биологическую активность композитного материала.

Результаты исследований позволяют считать, что разработанный материал может стать перспективным композитом для изготовления костных каркасов и соединительных винтов, напечатанных при помощи 3D-технологий.

Подробнее в статье «Наночастицы Fe-Fe₃O₄ со структурой ядро-оболочка для получения композитов на основе полимолочной кислоты с низкой токсичностью и высокой рентгеноконтрастностью», О.В. Бакина, Л.Ю. Иванова, Н.Е. Торопков, Е.И. Сенькина, М.И. Лернер, Е.А. Глазкова, М.Г. Криницын, «Физическая мезомеханика», 25, 1 (2022), стр. 90–99.

Редакция сайта РАН