Сколтех и Сеченовский Университет: Сплав железа и кремния для сращивания переломов

Основная статья: Переломы костей

2022: Испытания сплава железа и кремния для сращивания переломов

15 июня 2022 года стало известно о том, что научная группа из Сколтеха и Сеченовского университета напечатала на 3D-принтере образцы из пористого сплава железа и кремния — создатели считают этот материал перспективным для дизайна костных имплантов, сращивающих переломы. Результаты исследования свидетельствуют, что полученные образцы малотоксичны, прочны, биоразлагаемы и на них может формироваться костная ткань. Работа опубликована в журнале Biomedical Materials.

Сплав железа и кремния для сращивания переломов

Как сообщалось, чтобы залечить серьёзный перелом, на место дефекта устанавливают особые импланты, которые способствуют восстановлению кости. Они служат своего рода каркасом, который постепенно зарастает костной тканью. В идеале, к тому времени, как имплант выполнит свою задачу, он должен раствориться в теле — тогда не понадобится операция по его извлечению. Как раз для этого и подойдёт, по мнению его создателей, сплав железа и кремния.

Материалы для подобных имплантов должны соответствовать ряду требований. Они должны быть прочными, как кость, и пористыми — чтобы было пространство для формирования другой ткани. Кроме того, подходящий материал должен быть биосовместимым и биоразлагаемым. То есть он, с одной стороны, принимается организмом пациента, с другой стороны — естественным образом растворяется; но не слишком быстро, чтобы биологическая кость успевала вырасти. Притом продукты разложения не должны быть токсичны.

Часто используются сплавы железа, потому что этот металл не воспринимается организмом как чужеродный и разлагается примерно за такое время, как нужно; и в то же время в чистом виде железо слишком мягкое. Наш коллектив материаловедов уже работал со сплавами железа и кремния, и мы подумали, что стоит их рассмотреть в контексте имплантов, ведь известно, что кремний тоже биосовместим, нетоксичен, хорошо усваивается и выводится организмом. рассказала Юлия Бондарева, первый автор исследования, младший научный сотрудник Сколтеха

Мы изготовили пористые образцы из сплава железа и кремния на 3D-принтере из порошка. Напечатанные образцы имели произвольный дизайн, подходящий для комплексного исследования их механических и биологических свойств. В дальнейшем планируется изготовление образцов имплантов анатомической формы для исследований непосредственно в организме животных. Вдобавок мы показали, что сделанные из него импланты действительно будут разлагаться организмом за нужное время. пояснил Станислав Евлашин, руководитель исследования

Коллектив исследовал механические свойства сплава, чтобы проверить, насколько хорошо образцы выдерживают сжатие и растяжение по сравнению с чистым железом и другими сплавами этого металла, популярными в имплантологии. Выяснилось, что сплав по своим характеристикам превосходит рассмотренные аналоги.

Кроме того, мы картировали элементный состав образцов. Порошок, который загружается в 3D-принтер, содержит железо и кремний в определённом соотношении, плюс при высокой температуре лазерной печати всегда в какой-то мере идёт окисление. Чтобы убедиться, что механические свойства не меняются от одного участка образца к другому, мы подтвердили, что соотношение между двумя основными элементами — и кислородом тоже — правильное и оно неизменно по всему образцу. продолжил Евлашин

Синтез материала и проверка механических свойств были проведены в Сколтехе, после чего образцы отправились в Сеченовский университет, где они прошли испытания с живыми клетками в физиологическом растворе. Мышиные фибробласты и клетки, полученные из пуповины человека, продемонстрировали хорошую спайку, то есть прочно пристали к каркасу из сплава. При помощи микроскопа удалось подтвердить, что выжило примерно 70% клеток, что говорит о достаточно умеренной токсичности материала — она связана с образованием гидроксида и хлорида железа при разложении. На образце наблюдалось отложение фосфата кальция — значит, на импланте будет расти костная ткань.

Наряду с железосодержащими в качестве материалов для биоразлагаемых имплантов изучаются также сплавы магния и цинка. Однако из-за различий в свойствах можно ожидать, что они не займут в точности ту же нишу, что их аналоги на основе железа. Последние могут, в частности, наилучшим образом подойти для ортопедии и травматологии, где свойства сплава железа и кремния будут особенно ценны.

Такие материалы востребованы, в частности, у ортопедов-травматологов. Имплант из сплава железа и кремния может иметь механические свойства, сравнимые с теми, которыми обладают коммерческие аналоги, однако он способен резорбироваться. В месте имплантации постепенно формируется ткань, замещающая имплант, и наступает момент, когда его не остаётся. рассказала Анастасия Шпичка, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета и сотрудник МГУ