Электроактивные кальций-фосфатные покрытия улучшат приживаемость титановых имплантатов
Сотрудники 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.
«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 создаёт хроническое воспаление вокруг конструкции и нарушает процесс её интеграции с костью», — объясняет кандидат технических наук Екатерина Комарова, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН.
Лабораторные образцы
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.
Новая технология создания электроактивных наноструктурных покрытий была предложена учёными 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.
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. Толкачёва
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 — так называемый «скаффолд» (буквально — «строительные леса»), на котором потом и «вырастет» умное покрытие. Затем применяется электрохимический метод микродугового оксидирования. Продолжительность этого этапа — от пяти минут до одного часа, в зависимости от размера и конфигурации изделия-имплантата. В качестве компонентов для электролита специалисты используют соединения синтезированного гидроксиапатита в виде порошка, карбонат кальция и ортофосфорную кислоту для создания жидкой проводящей среды. Синтез гидроксиапатита выполняют коллеги из Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск).
«Титановый скаффолд закрепляют как электрод и помещают в подготовленную титановую ванну с электролитом. Затем на металлический образец подаётся положительный потенциал, а на ванну — отрицательный заряд. Между ними создаётся 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
Проведённые 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.
Для контроля электрических свойств кальций-фосфатных покрытий создается специализированная диагностическая аппаратура. Так, в БНТУ (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 проекте участвуют учёных из разных организаций, в том числе Сибирского государственного медицинского университета (Томск), Института математических проблем биологии РАН (Пущино), Томского политехнического университета: каждый из них вносит свой значимый вклад. В рамках реализации совместного проекта, объединившего учёных 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.
Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 25-43-10027) и БРФФИ.
Источник: пресс-служба Томского научного центра СО РАН.
