Соль поможет в приживаемости имплантатов

Соль поможет в приживаемости имплантатов

Ученые НИТУ "МИСиС" и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи нашли способ в среднем в 4-6 раз повысить эффективность приживаемости полимерных имплантатов костей черепа при помощи белков и поваренной соли. Это означает, что пациент быстрее восстановится, и в будущем заново выросшая кость сможет выдерживать такие же нагрузки, как до операции. Статья о разработке опубликована в Polymer Testing.

Одним из самых широко используемых материалов для изготовления полимерных костных имплантатов является полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) - он прочен, устойчив к агрессивным химическим средам, износостоек, биосовместим. ПЭЭК применяют, в основном, в спинальной хирургии - для протезирования межпозвоночных дисков. Однако он также перспективен в качестве материала для изготовления имплантатов трубчатых и плоских костей. В этом случае требуется обеспечить прочное срастание ПЭЭК с костью пациента. Для этого необходима дополнительная обработка материала для создания пористой структуры, в которую прорастала бы костная ткань. Однако до настоящего времени ни один из применяемых методов (например, вспенивание газом или разделение фаз) не давал достаточной структурной схожести с натуральной костью.

Ученые из НИТУ "МИСиС" и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработали комбинаторный подход к созданию имплантатов, включающий в себя изготовление пористого имплантата из ПЭЭК или ПЭЭК с добавлением гидроксилапатита - основного минерального компонента костной ткани, а также двух белков, эритропоэтина (EPO) и костного морфогенетического белка BMP-2.

"Вначале мы разбивали порошок гидроксиапатита в более мелкие частицы при помощи планетарной мельницы. Затем смешивали его с ПЭЭК и добавляли хлорид натрия, поваренную соль, причем с частицами сферической формы - не любая соль подойдет, так как кристаллы соли могут быть кубической формы, а это не соответствует естественной пористости кости. После термопрессования образцы отмывались для растворения соли. В результате получался материал с 80%-ой пористостью", - рассказывает один из основных авторов разработки, студент программы iPhD "Биоматериаловедение" НИТУ "МИСиС" Александр Чубрик.

Для формирования структуры использовались кристаллы соли двух размеров - 106-200 микрометров и 40-75 микрометров. Первые позволили сформировать поры в материале, вторые - микрорельеф на их поверхности. Если поры нужны в большей степени для прорастания кровеносных сосудов и костной ткани, то микрорельеф способствует прикреплению к поверхности имплантата остеобластов - собственных клеток пациента, формирующих костную ткань.

"Для привлечения вместо установки имплантата остеобластов и индукции роста костной ткани мы насыщали образцы рекомбинантным белком BMP-2, полученным в нашей лаборатории. Добавление рекомбинантного эритропоэтина, также разработанного нами, должно было способствовать усиленному прорастанию сосудов и дополнительному росту костной ткани. Работа по получению материала и характеристике его свойств была выполнена в рамках проекта, финансируемого РНФ", - комментирует руководитель работы со стороны НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Анна Карягина, профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи.

В ходе дальнейших экспериментов образцы материала имплантировались в 4-милиметровый круглый дефект черепа у восьми групп лабораторных мышей. В каждой из групп образцы имели различный состав - чистый ПЭЭК, ПЭЭК без белков, ПЭЭК с разной концентрацией белков, те же варианты с добавлением ГАП. Девятая группа была контрольной - имплантат не вживлялся.

Как показал эксперимент, оптимальными являются комбинации из ПЭЭК (с гидроксилапатитом или без), EPO 3,5 микрограмма и BMP-2, также 3,5 микрограмма. Именно в этих группах удалось достичь максимального зарастания костного дефекта за 6 недель эксперимента. В целом, за счет введения рекомбинантных белков удалось повысить эффективность приживаемости имплантатов (что выражается в увеличении процентного содержания костной ткани) в 4 - 6 раз. Это позволит пациенту быстрее восстановиться после операции; кроме того, новая костная ткань на месте дефекта сможет выдерживать такие же механические нагрузки, как и до операции.

Ученые планируют продолжить работу над совершенствованием полимерных имплантационных материалов, в том числе, используя биорезорбируемые, то есть растворяющиеся со временем соединения.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 13 направлениям, входя в топ-100 в категориях "Инжиниринг-Горное дело" (рейтинг QS) и "Инжиниринг-Металлургия" (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ "МИСиС" в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и ИТ. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" учится более 22 000 обучающихся из 81 страны мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.