Сплав железа и кремния может стать новым материалом для костных имплантов

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. О работе сообщила пресс-служба Сколтеха.

Импланты служат 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, новый сплав железа и кремния.

Материалы для имплантов должны соответствовать ряду требований. Они должны быть прочными, как кость, и пористыми — чтобы было пространство для формирования новой ткани. Кроме того, подходящий материал должен быть биосовместимым и биоразлагаемым. То есть он, с одной стороны, принимается организмом пациента, с другой — естественным образом растворяется; но не слишком быстро, чтобы 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», — рассказывает первый автор исследования, младший научный сотрудник Сколтеха Юлия Бондарева.

«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», — пояснил руководитель исследования Станислав Евлашин.

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 новый сплав по своим характеристикам превосходит рассмотренные аналоги. «Вдобавок мы показали, что сделанные из него импланты действительно будут разлагаться организмом за нужное время», — добавила Бондарева.

«Кроме того, мы картировали элементный состав образцов, — продолжил Евлашин. — 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».

Синтез материала и проверка механических свойств были проведены в Сколтехе, после чего образцы отправились в Сеченовский университет, где 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. Важно отметить, что на образце наблюдалось отложение фосфата кальция — значит, на импланте будет расти костная ткань.

Один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета и сотрудник МГУ Анастасия Шпичка, прокомментировала работу: «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 новая ткань, замещающая имплант, и наступает момент, когда его не остаётся».

Работа опубликована в журнале Biomedical Materials.