Ученые усовершенствовали костные импланты за счет биосовместимого полимера
Полимерное покрытие для металлических костных имплантатов, постепенно и равномерно разлагающееся на безопасные для организма соединения с выделением лекарственных препаратов и микроэлементов, которые ускоряют восстановление естественной кости, разработали специалисты томского Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН, 18 апреля сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири» со ссылкой на пресс-службу РНФ.
Еще одним достоинством нового покрытия, как показали эксперименты, оказалось значительное увеличение за счет полимерного слоя механической прочности имплантатов и их устойчивости к коррозии.
Для лечения различных повреждений костной ткани, полученных в результате травм или таких болезней, как рак костей, пациенту в некоторых случаях в месте повреждения устанавливают металлические имплантаты. Они заменяют утраченную костную ткань, обеспечивая необходимую опору и поддержку мышцам.
В последнее время ученые добиваются того, чтобы имплантаты одновременно выполняли еще одну полезную функцию — доставляли в место травмы лекарственные препараты и микроэлементы, необходимые для восстановления естественной костной ткани.
Для этих целей используются биоактивные покрытия имплантатов, в том числе на основе фосфатов кальция, входящих в состав естественной костной ткани и за счет объемной пористой структуры позволяющих загрузить в поры необходимые лекарственные препараты, которые после установки имплантата будут постепенно поступать в окружающие ткани.
Наиболее трудно при этом добиться того, чтобы лекарство поступало равномерно и не слишком быстро. Ученые из ИФПМ СО РАН решили добавить в такие кальций-фосфатные покрытия костных имплантатов биоразлагаемый сополимер молочной и гликолевой кислот (PLGA), который должен позволить управлять скоростью высвобождения из имплантатов лекарственных препаратов.
Данный полимер состоит из длинных органических цепочек молочной и гликолевой кислот. Ему отдали предпочтение из-за его безопасности для человека. При этом он за определенное время (от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от соотношения исходных кислот в соединении) распадается на исходные кислоты.
То есть, если в кальций-фосфатное покрытие костных имплантатов поместить лекарство и запечатать его сверху саморазлагающимся полимером, то, подбирая соотношение исходных кислот, можно добиться, чтобы препарат постепенно, небольшими порциями выделялся в окружающую костную ткань.
Ученые провели эксперимент, нанеся на подложку из титана (этот материал чаще используют для изготовления имплантатов) пористое кальций-фосфатное покрытие. После чего полученный образец погружали в растворы сополимера молочной и гликолевой кислот с разными концентрациями: 5%, 8% и 10% до образования на поверхности покрытия дополнительной полимерной пленки.
Эксперимент показал, что кальций-фосфатное покрытие, обработанное 5-процентным раствором сополимера, имело однородную пористую структуру. Но при содержании сополимера в размере 8–10% образовывалось два слоя: нижний — пористый, и верхний — плотный, с заполнением полимером большей части пор.
В этом случае произошедшее уплотнение структуры обеспечило троекратное увеличение сопротивления материала имплантата к износу, а устойчивость к коррозии возросла сразу на два порядка.
Полученные образцы далее на три недели поместили в физиологический раствор, имитирующий внутреннюю среду человеческого организма, и через каждые два дня взвешивали их, чтобы рассчитать скорость деградации полимерного и кальций-фосфатного покрытий.
Оказалось, что даже 5-процентный слой сополимера существенно снизил скорость потери массы образцов по сравнению с образцами без полимера, одновременно удлинив время выхода лекарственного средства из имплантатов.
Руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН кандидат технических наук Екатерина Комарова рассказала о разработанном покрытии:
«Помимо того, что предложенный полимер позволит заключать в покрытие на костных имплантатах различные лекарства, которые будут поступать в живые ткани постепенно, он еще и улучшит механическую прочность имплантатов и предотвратит их коррозию. Все эти свойства помогут усовершенствовать существующие медицинские изделия для восстановления костей и продлить их срок службы. В дальнейшем мы планируем провести биологические испытания предложенного покрытия на клеточных культурах и на лабораторных животных».
Результаты исследования ученые представили в статье «Повышенная коррозионная стойкость и механическая долговечность композитных каркасов PLGA/CaP/Ti для ортопедических имплантатов», опубликованной в журнале Polymers.
