МИСиС: Технология одновременного нанесения антибактериального и биоактивного покрытия на титановые имплантаты

Основная статья: Костная имплантация

2023

Подтверждение эффективности технологии в ходе in vivo испытаний

Эффективность ранее предложенной учеными НИТУ МИСИС технологии покрытия титановых имплантатов для реконструктивной хирургии, подтверждена специалистами Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н. Ф. Гамалеи. Результаты in vivo испытаний показали, что после специальной обработки улучшается взаимодействие имплантата с костной тканью, его антибактериальная и противогрибковая активность. Об этом 14 сентября 2023 года сообщили в университете. Технология не требует дорогостоящего оборудования и может проводиться непосредственно в больницах и хирургических центрах.

Одним из оптимальных и легко масштабируемых методов модификации поверхности имплантата является плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО), когда титановые изделия обрабатывают в электролите под высоким напряжением.

За счет выделения газообразного кислорода из расплава во время обработки, на металлической подложке образуется микропористое оксидное покрытие, микроструктура которого лучше адаптирована к костной ткани, чем гладкий титан. Размер, форма и распределение пор по размерам тоже оказывают существенное влияние на адгезию, распространение, пролиферацию и дифференцировку клеток. Микропоры могут также служить резервуаром для загрузки различных биологически активных веществ: факторов роста, бактерицидов и др., сказал автор исследования Анастасия Попова, инженер научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (НУЦ СВС) МИСИС-ИСМАН, аспирантка кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий Университета МИСИС.

Для улучшения биологической активности материала в процессе ПЭО-обработки в состав электролита были добавлены функциональные элементы, такие как Cu, Na, P, Ca, Si, O. По словам исполнительницы исследования, магистрантки iPhD программы НИТУ МИСИС «Биоматериаловедение» Дарьи Адваховой, медь эффективно инактивирует грамположительные и грамотрицательные бактерии, предотвращая образование вредоносных биопленок. Для ускорения образования костной ткани вокруг имплантата, ученые загрузили поверхность белком BMP-2, это наиболее изученный костный морфогенетический белок, используемый в ортопедической хирургии.

Оценку биоактивности и биосовместимости мы проводили на модели титановых имплантатов, специально разработанных для черепа мышей. Испытания показали, что белок BMP-2 значительно ускоряет формирование новой костной ткани. Мы наблюдали выраженное ремоделирование кости, остеокондукцию и остеогенез, сказала соавтор исследования д.б.н., профессор Анна Карягина, главный научный сотрудник лаборатории биологически активных наноструктур НИЦЭМ им. Н Ф. Гамалеи.

Хотя процесс плазменно-электролитического оксидирования относительно хорошо изучен, ученые Университета МИСИС выявили интересную структурную особенность, которая ранее подробно не обсуждалась. С помощью просвечивающей электронной микроскопии удалось выяснить, что функциональные элементы распределены не по всему объему покрытия, а сосредоточены на поверхности в виде биостекла из-за технических особенностей процесса.

Введённые в электролит элементы Ca, P, Na, K, Si, и O определяют биоактивность имплантата за счет ионного обмена, происходящего на границе поверхности с физиологической средой. Это открытие имеет не только фундаментальное, но и практическое значение. Биостёкла представляют собой аморфные материалы, которые могут связываться как с твердыми, так и с мягкими тканями и могут быть использованы в пористых имплантатах для стимулирования адгезии и пролиферации костных клеток. Они растворяются со скоростью, сравнимой со скоростью образования новой костной ткани и могут быть использованы в качестве систем доставки лекарств. Подбирая режимы формирования покрытий и состав электролита, мы можем сформировать тонкий слой биостекла с необходимым для конкретного применения составом, добавил соавтор исследования к.т.н. Константин Купцов, старший научный сотрудник НУЦ СВС МИСИС-ИСМАН.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (№ 20-19-00120-Π) и стратегического проекта Университета МИСИС «Биомедицинские материалы и биоинженерия» под руководством д.ф.-м.н. Дмитрия Штанского, главного научного сотрудника НУЦ СВС МИСИС-ИСМАН.

Придание материалу биоактивных и бактерицидных свойств методом плазменного электролитического оксидирования

Ученые Университета науки и технологий МИСИС доказали возможность одновременного нанесения антибактериального и биоактивного покрытия на титановые имплантаты. Об этом 13 марта 2023 года Zdrav.Expert сообщили представители университета.

По их словам, по состоянию на момент выпуска материала технология не имеет прямых аналогов, она гораздо проще и дешевле, чем применяемый ранее двухступенчатый сложный процесс. К тому же, способ покрытия апробирован на высокопористых титановых изделиях, имеющих более близкие механические характеристики к кости по сравнению с классическими эндопротезами.

Российские ученые предложили метод изготовления костных имплантатов, сочетающих антибактериальные и биоактивные свойства

Как пояснили ученые, ранее, при модификации имплантатов первым этапом было нанесение на сплошную титановую подложку биоактивного покрытия (кальций, фосфор, кремний), улучшающего приживаемость. Вторым этапом наносилась медь, обладающая бактерицидными свойствами. Важно при этом соблюсти определенную концентрацию наночастиц меди, иначе при избытке покрытие будет токсичным, а при недостатке – не бактерицидным.

В числе преимуществ модифицированных имплантатов по сравнению с существующими на рынке в НИТУ МИСИС назвали:

• одновременное сочетание антибактериальных и биоактивных свойств. Хотя считается, что эти характеристики, как правило, взаимоисключают друг друга. В ходе экспериментов установлено, что метод плазменного электролитического оксидирования придает покрытию желаемые свойства в один этап.
• простота технологии изготовления. Медицинским центрам не потребуется специфическое дорогое оборудование;
• возможность создания персонального имплантата по индивидуальным параметрам пациента с помощью 3D-печати титановым порошком.

«Такая поверхностная модификация направлена на придание имплантатам улучшенных регенеративных свойств, стимулирующих образование здоровой костной ткани на границе имплантата в области костного дефекта, – рассказала соавтор исследования, аспирантка НИТУ МИСИС Анастасия Попова. – В качестве метода поверхностной модификации впервые для высокопористых металлических имплантатов, обладающих мультимодальным распределением пор, используется метод плазменного электролитического оксидирования. Для придания материалу биоактивных, бактерицидных и противогрибковых характеристик в состав электролитов вводятся различные функциональные добавки. Для лучшей и ускоренной интеграции пористые покрытия будут насыщаться фактором роста, таким как белок BMP-2».

Разрабатываемые материалы предназначены для применений в персонализированной медицине в качестве имплантатов для черепно-челюстно-лицевой хирургии. Дальнейшую модификацию имплантатов факторами роста и исследование остеоинтеграционной способности проведут специалисты НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи. В Государственном научном центре прикладной микробиологии и биотехнологии (г. Оболенск) изучат антибактериальную и противогрибковую сопротивляемость покрытия патогенам с устойчивостью к антибиотикам.

Дальнейшие работы по проекту будут проходить совместно с научным коллективом CSIR-Центрального электрохимического научного института, Tamilnadu, Karraikudi, Индия.

Смотрите также

Импортозамещение медицинских изделий

Ценовое регулирование медицинских изделий в России

Экспорт медицинских изделий из Москвы

Экспорт медицинских изделий из России

Мозговой имплантат

Грудные имплантаты

Зубные имплантаты

Имплантаты для ягодиц

Имплантаты для спондилодеза (мировой рынок)

Сердечные имплантаты (мировой рынок)

Костная имплантация