Томские материаловеды создают прототипы биоразлагаемых ортопедических имплантатов на основе магниевого сплава

Коллектив ученых из Института физики прочности и материаловедения СО РАН под руководством профессора Юрия Шаркеева предложил комплексный подход для разработки прототипов имплантатов из биорезорбируемого магниевого сплава с нанесенным на них сложным трехслойным покрытием. Такие винты и пины способны раствориться в организме после восстановления костной ткани, благодаря чему пациент сможет избежать операции по их извлечению. Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 23-13-00359).

– Наша лаборатория физики наноструктурных биокомпозитов в течение длительного времени успешно работает над созданием различных биоматериалов на основе не вызывающих отторжения металлов и сплавов, к числу которых относятся столь широко известные сегодня титан, ниобий, цирконий и их сплавы. При этом мы занимаемся разработкой как самих материалов, так и наносимых на них биопокрытий различного типа, в том числе и защитных. Сейчас одним из самых перспективных сплавов является магниевый, способный активизировать рост костной ткани и растворяться затем в организме. Однако для его широкого внедрения в медицину нужно научиться контролировать скорость его резорбции (растворения) в организме, – рассказывает Юрий Петрович.

Для получения безопасных имплантатов ученым потребовалось решить несколько фундаментальных задач. Прежде всего, для получения нужной механической прочности магниевого сплава с помощью интенсивной пластической деформации они изменили его привычную крупнокристаллическую структуру на ультрамелкозернистую. Это необходимо для того, чтобы после проведенной операции медицинское изделие в течение 3-4 месяцев могло выдерживать оказываемые организмом на изделие нагрузки, пока оно растворяется, замещаясь новой костной тканью.

На фото: младший научный сотрудник к.ф.-м.н. Владимир Красновейкин, главный научный сотрудник д.ф.-м.н. Юрий Шаркеев, инженер-исследователь Никита Лугинин и научный сотрудник к.ф.-м.н. Константин Просолов

Затем потребовалось разработать оптимальные составы трехслойных биоактивных и защитных покрытий, получаемых в результате модификаций поверхности сплава. Это нужно для того, чтобы винты или пины простояли отведенный срок, не растворившись раньше времени, а микроэлементы, входящие в состав покрытия, стимулировали восстановление кости (без такой защиты имплантат из магниевого сплава в среднем растворяется за месяц). Из чего же состоят эти защитные покрытия?

Невольно напрашивается сравнение из области кулинарии: структура такого медицинского изделия как трехслойный пирог! Как пояснил научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН Константин Просолов, первый слой, наносимый с помощью микродугового оксидирования, – это кальций-фосфатное покрытие с остеокондуктивным микроэлементом – стронцием. В пористую структуру этого покрытия можно внедрять препараты, способствующие росту костной ткани.

Циклические испытания образца в растворе, имитирующем биологическую жидкость

Второй слой – это полимер PLGA, состоящий из молочной и гликолевой кислот. Назначение этого слоя инкапсулировать и изолировать пористую структуру кальцийфосфатного покрытия для того, чтобы предотвратить растворение изделия на ранних этапах имплантации. Толщина этого слоя регулирует скорость растворения композита. И, наконец, третий слой покрытия состоит из оксида титана или циркония. Его функция – увеличить биосовместимость и механические свойства поверхности композита. Наносится третий слой методом высокочастотного магнетронного распыления.

Следует отметить, что исследователи разработали специальный прибор-приставку для проведения циклических механических испытаний имплантатов в среде, имитирующей биологическую среду организма. С его помощью исследуются физико-химические свойства модельных медицинских изделий на каждом этапе модификации их поверхности. Комплекс всех требуемых на этом этапе испытаний проводится в ИФПМ СО РАН в кооперации с лабораториями контроля качества материалов и конструкций и физикохимии высокодисперсных материалов. Кооперация не ограничивается работами на территории ИФПМ СО РАН, специалисты отдела электрохимических систем и процессов модификации поверхности Института химии ДВО РАН проводят прецизионные исследования характера протекания процесса биокоррозии на каждом этапе модификации поверхности.

Термостат для подачи раствора с заданными параметрами в испытательную ячейку

Томские материаловеды планируют продолжить свои работы, подав на продление гранта РНФ. Совместно с учеными-биологами и медиками они смогут разработать подходы к испытаниям образцов, в частности, исследовать процессы роста клеток и электрические свойства, влияющие на развитие различных бактерий на поверхности изделий.