Ученые нашли способ создания биоматериалов из синтетических порошков и керамики на основе силиката кальция и его биологически активных композитов. Полученные из них имплантаты по структуре и свойствам подобны натуральной кости и могут стимулировать ее рост в организме человека. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.
Фото: Evgeniy K. Papynov et al. // Progress in Natural Science: Materials International, 2019
Фото: Evgeniy K. Papynov et al. // Progress in Natural Science: Materials International, 2019
Фото: Евгений Папынов
Биоматериалы работают в непосредственном контакте с живыми тканями и клетками внутри организма. Наиболее крупные области их применения — производство медицинских имплантатов, в том числе костных. В качестве исходного сырья используются распространенные дешевые и доступные природные материалы, а технологии позволяют делать их биоактивными. Попадая в организм, такие системы взаимодействуют с костной тканью: стимулируют рост, способствуют миграции, делению и дифференцировке клеток.
К таким материалам существуют свои требования. Во-первых, они не должны оказывать отрицательного влияния на живые системы. Это главное условие, которое определяется химическим составом, свойствами поверхности и физическими показателями компонентов материала. Во-вторых, у искусственной кости должна была пористая структура. Только тогда клетки костной ткани и кровеносные сосуды прорастают внутрь имплантата. В-третьих, необходимо, чтобы материал обладал биологически активными свойствами, мог влиять на физиологические процессы в организме. Также его компоненты не должны конкурировать между собой в реакциях внутри клеток и препятствовать росту костей. Например, в одном биоматериале невозможно совмещать кальций и конкурирующий с ним алюминий. Ранее было доказано, что биологически активный порошок силиката кальция положительно влияет на метаболизм.
Фото: Евгений Папынов
Фото: Евгений Папынов
«Обычный протез из силиката кальция, который будет инертен в организме, получить довольно просто. А для того, чтобы сделать его биологически активным, надо применять специальные технологии, включая новые и малоизученные»,— говорит руководитель проекта Евгений Папынов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии Дальневосточного отделения РАН (Владивосток).
Преимущество созданных синтетических материалов в том, что при производстве им можно задавать нужные характеристики и свойства. Тогда керамика и порошки силиката кальция примут любую форму необходимого размера. По отдельности эти материалы используются в разных сферах хирургии. Порошки применяют для борьбы с мелкими челюстно-лицевыми дефектами, при наращивании костной ткани и зубном протезировании. Керамика способна выдерживать значительные нагрузки и применяется в более радикальных операциях, например при замене целой кости или сустава.
Авторы статьи нашли способ, который делает керамику и порошок силиката кальция активными при введении их в организм, но сохраняют необходимые для имплантатов структуру и прочность. Для синтеза порошка использовали технологию золь-гель. Это хорошо изученный и достаточно популярный в мире метод: исходный раствор становится порошком из наночастиц. При работе с керамикой исследователи применяли оригинальную технологию искрового плазменного спекания — синтеза керамики из полученных ранее порошков силиката кальция с разными биологически активными добавками. Эта технология еще мало изучена в мире.
Клинические испытания имплантатов из полученных биоматериалов
Фото: Евгений Папынов
Клинические испытания имплантатов из полученных биоматериалов
Фото: Евгений Папынов
«Из одного сырья мы получаем биологически активный наноструктурированный порошок с заданным составом. И при необходимости превращаем его в плотную керамику нужного размера и профиля»,— объясняет Евгений Папынов.
Преимущество таких изделий — в сочетании полного набора совместимых с организмом свойств самих материалов и доступных методов их синтеза. А добавки наночастиц благородных металлов — золота и серебра — придают имплантатам антибактериальные и противовоспалительные свойства.
Полученные из этих материалов протезы можно считать высококачественным продуктом. Исключительная биологическая совместимость позволяет протезировать пациентов любого возраста. Также для костной хирургии это относительно дешевые и доступные биоматериалы из отечественного сырья. В будущем имплантаты могут поступить в промышленное производство и, наоборот, будут востребованы в области персонализированной медицины.
В разработке также принимали участие ученые из Дальневосточного федерального университета, Тихоокеанского государственного медицинского университета и Тихоокеанского института биоорганической химии имени Г. Б. Елякова.
По материалам статьи «Synthetic CaSiO3 sol-gel powder and SPS ceramic derivatives: “In vivo” toxicity assessment»; Evgeniy Papynov, Oleg Shichalin, Vladimir Apanasevich, Igor Afonin, Ivan Evdokimov, Vitaliy Mayorov, Arseniy Portnyagin, Irina Agafonova, Yulia Skurikhina, Mikhael Medkov; журнал Progress in Natural Science: Materials International, октябрь 2019 г.