В течение последних лет ученые добились значительных успехов в разработке более функциональных протезов для солдат, потерявших ногу или руку на полях сражений. Но даже при самом высоком уровне протезирования возникают проблемы, связанные с проникновением в организм патогенных микроорганизмов, входными воротами для которых является место установки имплантата.

Томас Вебстер (Thomas Webster), доцент кафедры
инженерии и ортопедии Университета Брауна.
(Фото: news.brown.edu)

«Нужно закрыть (зону), через которую бактерии попадают в организм, и это, прежде всего, кожа» – считает Томас Вебстер (Thomas Webster), доцент кафедры инженерии и ортопедии Университета Брауна (Brown University), США.

Вебстер и его коллеги, возможно, нашли верную формулу для противодействия бактериям. В статье, опубликованной в журнале Journal of Biomedical Materials Research A, они сообщают о двух способах модификации поверхности титановых имплантатов, способствующих росту вокруг них клеток кожи и создающих тем самым естественный кожный слой, закрывающий рану, образующуюся при установке имплантата. Ученые также разработали синтетическую молекулярную цепочку для обработки имплантата стимулирующим рост кожи белком – фактором роста фибробластов.

Вебстер и его коллеги разработали два вида наномодифицированных титановых поверхностей имплантатов.

В первом случае на титановом покрытии штифта (части имплантата, вставляемой в кость) они создали 20-нанометровые бугорки, используя для этого пучок электронов. Такие бугорки имитируют естественную структуру кожи, «обманывая» клетки кожи кератиноциты и заставляя их активно образовывать новые колонии на поверхности имплантата.

Ученым уже известно, что такая шероховатая поверхность способствует росту клеток кости и хряща, но, приведет ли тот же «трюк» к успеху в стимуляции роста клеток кожи, было неясно. Возможно, это первая демонстрации способности наномодифицированных титановых поверхностей стимулировать колонизацию кератиноцитов.

Второй подход, называемый анодированием, заключается в погружении штифта в плавиковую (фтороводородную) кислоту и пропускании через нее электрического разряда. Это заставляет атомы титана на поверхности штифта реорганизоваться в полые трубчатые структуры, поднимающиеся перпендикулярно к его поверхности. Как и в случае с нанобугорками, клетки кожи быстро колонизируют такую нанотубулярную поверхность.

В лабораторных (in vitro) тестах было получено удвоение плотности клеток кожи на поверхности имплантата; в течение пяти дней плотность кератиноцитов достигает точки, при которой образуется непроницаемый слой кожи, связывающий штифт с окружающими тканями.

«Вы получаете настоящий слой кожи, и у бактерий не остается лазейки, чтобы попасть в организм», – комментирует результаты Вебстер.

Шероховатая нанотубулярная поверхность хирургических имплантатов, полученная методом
анодирования, (слева) гораздо быстрее колонизируется клетками кожи.
(Фото: Webster Lab/Brown University)

Для дополнительной стимуляции роста кератиноцитов вокруг имплантата Вебстер и его коллеги обратились к фактору роста фибробластов-2 (fibroblast growth factor-2, FGF-2) – белку, секретируемому клетками кожи и способствующему росту других ее клеток. Простое нанесение белка на поверхность штифта не оказывает эффекта, так как при прямом взаимодействии с титаном FGF-2 быстро теряет свою активность. Поэтому ученые разработали синтетическую молекулярную цепочку, связывающую FGF-2 с титановой поверхностью, но сохраняющую способность белка стимулировать рост клеток. Не удивительно, что in vitro тесты показали самую большую плотность кератиноцитов вокруг штифта при сочетании наномодифицированной поверхности с добавлением FGF-2. Более того, в этом случае создается большая площадь поверхности соприкосновения белкового фактора роста с титановым покрытием, чем на обычных имплантатах.

Следующий шаг – проведение тестов на животных. В случае успеха можно будет перейти к клиническим испытаниям, хотя Вебстер считает, что это случится не ранее, чем через несколько лет.

Аннотация к статье Nanostructured titanium promotes keratinocyte density