Предложен новый материал для восстановления костной ткани

Ученые из Владивостока нашли способ, который позволяет получать биологически активный порошок силиката кальция для восстановления костной ткани, утратившей свои физиологические функции. Для синтеза порошка использовали золь-гель технологию с элементами темплатного синтеза. Новый материал востребован для восстановления костных дефектов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья с итогами работы опубликована в журнале Powder Technology, кратко о достигнутых результатах сообщается в пресс-релизе РНФ.

Существует четыре типа остеопластических материалов для восстановления костной ткани: аутогенные, когда донором является сам пациент, аллогенные, когда донором является другой человек, ксеногенные, когда донором является животное, и синтетические, то есть химически приготовленные. Авторы исследования продемонстрировали преимущества использования синтетических веществ. При создании медицинских имплантатов к биоматериалам предъявляются определенные требования. Во-первых, они не должны оказывать отрицательного влияния на живые системы. Во-вторых, искусственной кости необходима пористая структура — только тогда клетки костной ткани и кровеносные сосуды прорастают внутрь имплантата. В-третьих, необходимо, чтобы материал обладал биологически активными свойствами, то есть мог влиять на физиологические процессы в организме. Вместе с тем его компоненты не должны конкурировать между собой в реакциях внутри клеток и препятствовать росту костей.

В качестве исходного сырья используются распространенные дешевые и доступные природные ресурсы, а технологии позволяют делать их «живыми». Авторы статьи для получения синтетического порошка используют материал из волластонита — синтетического силиката кальция — и гидроксиапатита, являющегося минеральной основой зубов и костей. Добавление к ним полимерного латекса и углеродного волокна позволяет создать пористую структуру, которая необходима для костных имплантатов. Такой композит получили сочетанием золь-гель технологии с темплатным синтезом.

Золь-гель технология – одна из наиболее эффективных и относится к классу разработок «мокрого» синтеза, то есть когда компоненты получают из раствора. Темплатный синтез хорош тем, что можно легко управлять структурой, формой и размером материала. Сочетание золь-гель технологии с темплатным синтезом позволяет получить вещество заданной микроструктуры. Когда идет синтез вещества из сырья в растворе, в золь-гель процесс вводится матрица (темплат) определенной формы и размера. После синтеза вещества его удаляют, и остается определенная форма в объеме материала. Так, если подобрать матрицу нужного размера, например, соизмеримого размеру пор у натуральной кости, то текстура имплантата будет подобна природной структуре. Преимущество созданных синтетических материалов в том, что их характеристики и свойства можно изменять в процессе синтеза. Например, добавка гидроксиапатита химически стимулирует рост костной ткани, а добавки наночастиц благородных металлов — золота и серебра — придают имплантатам антибактериальные и противовоспалительные свойства.

Прежде чем тестировать материал на животных, ученые провели эксперимент на клеточных культурах. Поведение полученных биокомпозитов исследовали на нейтрофилах и макрофагах, которые формируют иммунитет живого организма и реагируют на внедрение чужеродного тела, в этом случае — имплантата. Результаты показали хорошую совместимость материала с живыми клетками.

Далее полученный материал проверили на кролике с удаленным зубом: биокомпозит имплантировали в место дефекта. Во время эксперимента учитывалось состояние материала и окружающих его тканей. Исследования тканей под микроскопом и мультиспиральная компьютерная томография показали, что композит активно интегрируется в область удаленного зуба, наполняется соединительными тканями и кровеносными сосудами, при этом он не вызывает воспаления или омертвления окружающих костных тканей. Основные показатели общего анализа крови животного оставались в пределах нормы в течение всего эксперимента. Отслеживание основных клинико-биохимических показателей крови выявило отсутствие прямого токсического воздействия имплантата на организм.

«Полученные из этих материалов искусственные заменители кости можно считать высококачественным продуктом, ведь их исключительная биологическая совместимость позволяет протезировать различные типы костных дефектов. Это относительно дешевые и доступные биоматериалы из отечественного сырья, получение которых осуществляется простым технологическим способом. В будущем имплантаты могут поступить в промышленное производство и будут востребованы и в области персонализированной медицины», — отмечает Евгений Папынов, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, заведующий лабораторией композиционных и керамических функциональных материалов Института химии ДВО РАН.

В разработке также принимали участие ученые из Дальневосточного федерального университета. Тестирование биоматериалов проводилось специалистами Тихоокеанского государственного медицинского университета и ветеринарной клиники, включая сопровождение лабораторных исследований.