Представьте себе интеллектуальные медицинские имплантаты, способные, находясь в организме, постоянно отслеживать свое состояние и автоматически реагировать на такие изменения, как инфекция, выделением антибактериальных препаратов. Благодаря нанотехнологиям исследования в области медицины быстро приближаются к этой цели.

Рынок медицинских имплантируемых устройств огромен и продолжает быстро расти – только в США он достиг годового оборота в 23 миллиарда долларов и, как ожидается, будет ежегодно увеличиваться на 10 процентов в течение ближайших нескольких лет. Среди лидеров продаж – кардиологические дефибрилляторы и ресинхронизаторы, кардиостимуляторы, ортопедические импланты для лечения позвоночника, протезы крупных суставов, факичные интраокулярные линзы и косметические имплантаты. Ежегодно только в США проводится почти 500000 операций по протезированию бедренных и коленных суставов, и примерно такому же количеству пациентов необходима костная реконструкция из-за травм или врожденных дефектов. Каждый год 16 миллионов американцев теряют зубы и нуждаются в зубных имплантатах.

Главной проблемой, с которой ученым и врачам приходится сталкиваться на пути к успешной и долгосрочной службе искусственных суставов, остается износ и инфицирование имплантатов. Исследования показали, что в процессе эксплуатации ортопедических имплантатов образуются мельчайшие частицы их материалов, как металлов, так и пластмасс. Большое количество таких частиц вызывает каскад событий, способный, в конечном итоге, разрушить кость вокруг имплантата (процесс, известный как остеолизис). Возникшее в результате «расшатывание» имплантата приводит к тому, что искусственный сустав больше не может выполнять свою функцию. Диагностика состояния имплантата основывается на рентгеноскопии и других методах визуализации. Эти технологии недостаточно чувствительны, не дают картины в режиме реального времени и требуют госпитализации больного. Хирургические операции по замене таких протезов не только более сложны и дороги, чем первичное протезирование суставов, но и менее эффективны.

Новое исследование показывает, что качество костных имплантатов можно значительно улучшить. Нанесенная на их поверхность пленка из полипиррола (polypyrrole) может использоваться в качестве электрически контролируемого устройства для выделения лекарственных препаратов. Используя антибиотики или противовоспалительные средства, введенные в полимерное покрытие методом электроосаждения, ученые Университета Брауна (Brown University) продемонстрировали, что эти препараты могут выделяться из полипиррола «по требованию» – при подаче напряжения – и контролировать поведение клеток, то есть подавлять воспаление и убивать бактерии.

«Полипиррол – традиционно проводящий полимер, который можно синтезировать электрохимическими методами в виде тонкой пленки на проводящих материалах», – объясняет Томас Дж. Вебстер (Thomas J. Webster). Возможность его использования была изучена в области защиты от коррозии и разработки электродных покрытий, электрохимических биосенсоров, полупроводниковых приборов, а также в биоэлектронике и других областях. Однако хотя он и зарекомендовал себя как перспективный материал со значительными возможностями в области биомедицины и контролируемой доставки лекарств, его потенциальная роль в снижении инфицирования и подавлении воспалительных реакций в ортопедии исследована недостаточно.

А) сверху: полипиррол, электроосажденный на поверхности обычного титана; б) снизу: полипиррол, электроосажденный на многослойных углеродных нанотрубках (Изображения: Лаборатория Вебстера, Университет Брауна).

Сообщая о своих результатах в январском он-лайн номере журнала Nanotechnology, Вебстер и его коллеги представили «доказательство концепции» разработки и оценки доставки «по требованию» лекарственных препаратов in situ из полипиррола, использовав в качестве примера пенициллин/стрептомицин (антибиотики для борьбы с грамположительными и грамотрицательными бактериями) и дексаметазон (глюкокортикоид, применяемый в клинической практике в качестве противовоспалительного и иммуносуппрессирующего средства). Своими экспериментами ученые доказали, что лекарственные препараты можно по требованию выводить из покрытия костных имплантатов с целью уменьшения как септического, так и асептического воспаления.

Эта работа является продолжением более ранних исследований наномедицинской лаборатории Вебстера, продемонстрировавших, что такие наноструктурные материалы могут влиять на рост кости и способствуют ему (Greater osteoblast functions on multiwalled carbon nanotubes grown from anodized nanotubular titanium for orthopedic applications и Multiwalled carbon nanotubes enhance electrochemical properties of titanium to determine in situ bone formation).

Для создания своих полимерных покрытий ученые сначала вырастили многослойные углеродные нанотрубки (около 55 нм в диаметре) на анодированном нанотрубчатом титане методом химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD) с кобальтом в качестве катализатора. Мономеры полипиррола были окислены либо антибиотиками, либо дексаметазоном до проведения электрохимической полимеризации полипиролла вокруг углеродных нанотрубок.

«В нашем последнем исследовании анионные лекарственные препараты, связанные электростатически внутри тонкой полипоррольной пленки, выделялись при приложении отрицательного напряжения», – объясняет Вебстер. «В течение первых пяти циклов мы наблюдали выход анионных молекул из тонкой полипиррольной пленки и их обратное перемещение, вызванные постоянным процессом восстановления и окисления. Пики высвобождения пенициллина/стрептомицина, обусловленные восстановлением препаратов, исчезли через 15 циклов циклической вольтамперометрии. Пик восстановления дексаметазона наблюдался и после 25 циклов и исчез после 40 циклов».

Увеличение количества высвобождаемых препаратов после электрического возбуждения было значительным до 5 циклов. Совокупное высвобождение пенициллина/стрептомицина и дексаметазона было близко к 80 процентам от исходных количеств препаратов, и последующие циклы не вызывали их высвобождения.

Хотя ученые установили, что при более высоких напряжениях или при более длительных периодах его подачи полипиррол может быть сверхокислен и теряет свою электрическую активность, углеродные нанотрубки поддерживают и пролонгируют его электроактивность благодаря своим превосходным проводниковым свойствам.

Вебстер отмечает, что полипиррол можно допировать не только антибиотиками и такими препаратами, как дексаметазон, но и многими другими биомолекулами – факторами роста, пептидами, ферментами, антителами, белками и пр., чтобы изменить их биологические, физические, химические и электрические свойства и получить контролируемую систему выделения, применимую во многих биомедицинских приложениях.

Кроме того, полипиррол можно интегрировать в имплантируемые чипы для вывода сигнала в биологическую среду.

«Эти предварительные результаты закладывают фундамент разработки интеллектуальных технологий доставки препаратов для применения в ортопедии, способных использовать считывание информации в замкнутом контуре для управления введением препаратов на основе этой информации», – говорит Вебстер. «Как основанные на углеродных нанотрубках сенсоры, так и системы контролируемой доставки лекарств могут стать отличным средством увеличения сроков использования ортопедических имплантатов, позволяющим имплантатам убивать бактерии, проявлять меньшую чувствительность к длительным воспалительным реакциям и, в конечном итоге, усиливать процесс образования кости».

Аннотация к статье

• Sirinrath Sirivisoot, Rajesh Pareta and Thomas J Webster Electrically controlled drug release from nanostructured polypyrrole coated on titanium