В ИФПМ СО РАН созданы прототипы биоразлагаемых ортопедических имплантатов на основе магниевого сплава

Научная группа под руководством профессора Юрия Шаркеева из лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН заложила фундаментальные основы для создания имплантатов из биорезорбируемого магниевого сплава с нанесенным на них сложным трехслойным покрытием. Такие винты, пины и пластины с нужной скоростью будут растворяться в организме, постепенно замещаясь костной тканью, благодаря чему пациенту не потребуется повторная операция по их извлечению. Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 23-13-00359).

– Широкому внедрению изделий из магниевых сплавов в медицинской практике препятствуют три проблемы. Первая – это высокая скорость их резорбции, которую нужно научиться замедлять и контролировать. Например, имплантат растворится через два месяца после его установки в организме, а костная ткань полностью сформируется лишь спустя пять-шесть месяцев после операции. Вторая проблема – относительно низкие механические свойства и коррозионная стойкость магниевых сплавов, по сравнению с биоинертными титановыми сплавами. Кроме того, при биорезорбции магния выделяется большое количество водорода, что также является серьезной проблемой на пути внедрения в практику крупных медицинских изделий из этого материала. Цель нашей работы заключалась в том, чтобы предложить передовые медицинские изделия, устранив эти недостатки и взяв под контроль скорость резорбции, – рассказал Юрий Петрович.

Процесс создания такого растворяемого имплантата на основе магниевого сплава начинается с его интенсивной пластической деформации, которую можно сравнить с процессом, когда пекарь месит тесто, разминая его много раз. В результате меняется сама структура материала, она становится ультрамелкозернистой (со средним размером зерна до одного микрометра и меньше).

– Когда нам удается сделать структуру магния очень мелкозернистой, возрастает однородность распределения легирующих элементов и доля границ зерен, благодаря этому защитная пленка из гидроксида магния в ходе растворения материала формируется более равномерно и сплошно по всей поверхности. Такая пленка лучше защищает сплав от коррозии, а мелкозернистая структура обеспечивает высокие механические свойства, – пояснил научный сотрудник лаборатории Константин Просолов.

Управлять скоростью резорбции томские материаловеды предложили путем нанесения мультислойного покрытия на имплантат, варьируя структуру покрытий. Первый слой – это кальций-фосфатное покрытие с остеокондуктивным микроэлементом стронцием, которое наносится с помощью метода микродугового оксидирования. Это покрытие не только контролирует скорость растворения имплантата, но и выступает матрицей, которая в дальнейшем будет колонизирована собственными клетками организма.

Второй слой – это полимер PLGA, состоящий из молочной и гликолевой кислот. Он играет роль барьера, надежно защищающего имплантат от агрессивной физиологической среды. И, наконец, методом высокочастотного магнетронного распыления наносится оксид циркония – это третий слой, который увеличивает биосовместимость изделия и улучшает его механические свойства, не изменяя при этом скорость растворения. Это особенно важно, когда речь идет о вкручиваемых пинах или винтах, которые должны быть особенно устойчивы к царапанию.

Как объяснили ученые, толщина всех слоев будет зависеть от того, когда именно имплантат должен будет раствориться, заместившись костной тканью, ведь клинические случаи могут быть разные: в одной ситуации медицинское изделие должно раствориться целиком уже спустя три месяца, в другой же от него потребуется «задержаться» в организме пациента почти на год.

Прототипы медицинских изделий испытали на статическую и динамическую нагрузки. Для этих исследований использовался специально разработанный прибор-приставка, который имитирует проток биологической среды организма. В первом случае проверялась их способность противостоять деформации в физиологической среде: на них давили с усилием 6000 ньютонов в течение 48 часов. Во втором случае имплантаты впервые испытали на циклическое сжатие в физиологической: каждый образец прошел 900 тысяч циклов с частотой нагружения не более 5 Гц – таким образом имитируются различные движения, совершаемые человеком в повседневной жизни.

Заключительный год проекта ученые посвятили испытаниям всех вариантов изделий на цитотоксичность – способность вещества оказывать токсическое воздействие на клетки организма. Полученные прототипы имплантатов достойно прошли все проверки, и теперь ученые планируют продолжить свою работу в кооперации с медиками, создавая в их интересах различные виды имплантатов.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН