Новые покрытия могут сделать костные имплантаты иммуномодулирующими, антибактериальными или противораковыми
Томские исследователи создали многофункциональные покрытия для костных имплантатов. В основе разработки лежат фосфаты кальция, которые не только способствуют лучшему приживлению материала, но и содержат важные для регенерации кости элементы. Они же являются носителем противораковых, антибактериальных или иммуномодулирующих препаратов, которые снижают риски развития послеоперационных осложнений. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной на страницах журнала Materials, показывают принципиальную возможность получения нового класса костных имплантатов с множественным положительным действием.
Идея использовать имплантаты как биоактивные конструкции остается популярной уже не один год. Изделие призвано заместить утраченные ткани, при этом его материал может оказывать дополнительный положительный эффект как сам по себе, так и за счет внедрения различных препаратов. В результате конструкция становится системой доставки лекарственных средств, благодаря чему может обеспечить более эффективную терапию именно в месте дефекта, а также позволит сократить применение системных препаратов.
«Яркий пример — костные имплантаты. Для их изготовления чаще всего используют биоинертные, то есть не оказывающие влияние на организм титан и его сплавы. Чтобы придать этому металлу биоактивные свойства, его поверхность модифицируют путем нанесения кальций-фосфатных соединений. Последние входят в состав “каркаса” костной ткани, который обеспечивает нормальное функционирование ее клеток, в том числе протекание процессов регенерации», — рассказывает Константин Просолов, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
Фосфаты кальция уже используются в медицинской практике при восстановлении дефектов костной ткани, а в последнее время их также рассматривают в качестве потенциальной системы доставки биологически активных веществ. Последние можно поместить как на поверхность, так и во внутренний объем образца благодаря системе взаимосвязанных пор, а скорость высвобождения препарата удается контролировать, варьируя условия формирования материала.
Томские ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Томского государственного университета и Сибирского государственного медицинского университета улучшили подход к созданию покрытий-носителей лекарств на основе аморфных фосфатов кальция, нанесенных на поверхности титановых имплантатов. Отличительной особенностью технологии является введение ультразвукового поля в процессе микродугового оксидирования, ставшего традиционным методом для нанесения биопокрытий. При микродуговом оксидировании обрабатываемый имплантат погружают в электролит, содержащий соли фосфорной кислоты, соли кальция и гидроксиапатит; одновременно подаются импульсное напряжение на образец и ультразвук на емкость с электролитом. В ходе протекающих электрохимических реакций и в результате акустических кавитаций (образования пузырьков) под действием ультразвука на поверхности титана формируются довольно толстые и прочные покрытия с равномерной пористой структурой.
Созданные биоактивные покрытия авторы проверили в качестве систем доставки, загрузив в них по отдельности три препарата: цитостатик (подавляет метаболизм клеток) 5-фторурацил, антибиотик ванкомицин и иммуномодулирующий препарат с противоопухолевым действием интерферон-α-2b. Высвобождение 5-фторурацила и ванкомицина из покрытий-носителей вначале носило взрывной характер, после чего следовал длительный выход на протяжении шести и более часов. В случае интерферона все происходило волнообразно: максимум наблюдался через 1 и 12 часов после загрузки, а в остальное время лекарство выходило медленно.
Цитостатик 5-фторурацил и иммуномодулятор интерферон, загруженные в покрытия-носители, повлияли на жизнеспособность раковых клеток, снизив ее до 70%, однако в меньшей степени оказывали подавляющее действие на здоровые клетки. В сочетании с системной терапией это позволит предотвратить рост злокачественного образования и не уничтожить здоровые ткани. Покрытие с ванкомицином продемонстрировало высокую антимикробную активность против штамма золотистого стафилококка — одного из наиболее частых возбудителей внутрибольничных инфекций. Оно уничтожало колонии микроорганизмов на протяжении четырех суток, что является достаточным результатом с учетом дополнительного приема антибиотиков.
«Мы показали принципиальную возможность создания покрытий с множественным положительным действием. Для этого применялся новый гибридный метод, также показана эффективность образцов в качестве систем доставки разнообразных препаратов. Наши результаты говорят о том, что разработка перспективна для применения в остеоонкологии, стоматологии, ортопедии и травматологии, например, при лечении переломов, в том числе осложненных опухолью или инфекцией», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Комарова, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
В дальнейшем авторы планируют модифицировать технологию формирования материала для более продолжительного и контролируемого высвобождения препаратов, а также детальнее исследовать биоактивность и антибактериальный эффект самих кальций-фосфатных покрытий.
