Разработан новый подход к созданию имплантатов для тазобедренного сустава
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ), Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН в составе международной коллаборации предложили новый комплексный подход к изготовлению и функционализации имплантатов для эндопротезирования тазобедренного сустава. По оценкам авторов, он может лечь в основу проектирования биоактивных покрытий из фосфата кальция с заданным составом, обладающих улучшенной биоактивностью, механической и коррозионной стойкостью, и в итоге обеспечить лучшую интеграцию и больший срок службы имплантатов.
Число операций по тотальному эндопротезированию тазобедренного сустава (полной замене сустава на имплантат) продолжает расти. Кроме того, увеличивается и число повторных операций. Среди основных причин — асептическое расшатывание, износ и выход из строя имплантата и другие. Срок службы коммерческих металлических имплантатов ограничен и зависит от активности образа жизни человека. И большая их часть доступна лишь в стандартизированных размерах. Поэтому разработка персонализированных имплантатов остается одной из важнейших задач.
Один из перспективных методов производства частично или полностью индивидуализированных по форме и функциям имплантатов — электронно-лучевое спекание. Он относится к методам трехмерной печати, для которых критически важен выбор материала для изготовления имплантата. Большинство коммерчески доступных бедренных стержней делают из титановых сплавов, содержащих алюминий или ванадий. Однако они обладают рядом недостатков, поэтому все больший интерес вызывают титановые сплавы, содержащие биосовместимые легирующие элементы, например, ниобий.
Также для улучшения взаимодействия имплантата с тканью, повышения остеинтеграции и минимизации осложнений применяют различные методы модификации поверхности. Например, наносят покрытия на основе фосфата кальция (гидроксиапатита) методом плазменного напыления. Такие покрытия химически схожи с костным минералом, отличаются хорошей остеокондуктивностью и способствуют быстрому образованию костной ткани.
Авторы представили комплексный подход к созданию и функционализации имплантатов. Методом электронно-лучевого спекания ученые получили гироидные скаффолды (трехмерные «сетки», состоящие только из волнистых поверхностей, без плоских линий) на основе сплавов титана и ниобия. Как поясняют исследователи, гироидная структура отражает мотивы, встречающиеся в природе и способствует повышению механических характеристик и биологической интеграции.
На скаффолды методом высокочастотного магнетронного напыления ученые наносили покрытия из гидроксиапатита, легированного ионами магния, стронция, а также ионами магния и стронция одновременно. После чего анализировали свойства полученных образцов. Цитосовместимость скаффолдов, активность щелочной фосфатазы, уровни отложения кальция и производства коллагена были изучены in vitro на преостеобластических клетках.
«Нанесение покрытий методом высокочастотного магнетронного напыления обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с плазменным напылением. Такой подход позволяет получить плотные и композиционно однородные пленки, а также значительно улучшает адгезию и сохраняет химическую целостность гидроксиапатита, минимизируя цитотоксичность побочных продуктов. Еще один перспективный подход — покрытия на основе гидроксиапатита, легированные ионами магния и стронция, что дает синергетический эффект, улучшающий биоактивность и адгезию покрытия», — рассказала один из авторов работы, инженер Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Козадаева.
«Расчеты на уровне электронной структуры показали, что внедрение стронция практически не нарушает дальний порядок кристаллической решетки, тогда как магний создает зоны локальных микронапряжений и способствует аморфизации структуры. Это напрямую объясняет, почему именно легирование стронцием повышает механическую прочность, а магнием — снижает ее при сохранении биосовместимости», — добавила старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Ирина Грубова.
Наиболее сбалансированное сочетание структурной стабильности, коррозионной стойкости, механической прочности и биологических свойств продемонстрировали покрытия на основе фосфата кальция, легированного ионами и магния и стронция, что делает их наиболее перспективными для модификации поверхности ортопедических скаффолдов.
«Полученные результаты подтвердили, что точная настройка кристалличности и элементного состава покрытий из фосфата кальция имеет важное значение для оптимизации их свойств для будущих клинических применений. Контролируя такие факторы, как содержание и тип легирующей добавки, структуру и фазовый состав, можно создавать покрытия, обеспечивающие надлежащий баланс между улучшенной биосовместимостью, механической прочностью и коррозионной стойкостью, гарантируя лучшую интеграцию и долговременную работу имплантируемых медицинских устройств», — подвела итог ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Сурменева.
По оценкам ученых, предложенный экспериментально-вычислительный подход позволяет создать целостную и прогностическую основу для рационального проектирования биоактивных поверхностей с заданным составом.