Команда ученых Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с российскими, чешскими и американскими коллегами разработали биосовместимый материал для имплантации, который способен бороться с патогенными бактериями без применения антибиотиков.

Благодаря действию наночастиц металлов, материал способен уничтожать до 98% процентов бактерий уже в первые 12 часов после установки. Статья о разработке опубликована в журнале Applied Materials & Interfaces.

Бактериальная инфекция, которая возникает в 1–4% случаев при установке имплантатов, а при сложных переломах может достигать 30%, представляет серьезную угрозу для здоровья пациента. Зачастую установленный имплантат приходится извлекать, что в крайнем случае приводит к ампутации части конечности. В более легких случаях проводится терапия антибиотиками, однако, организм подвергается колоссальному стрессу.

Вопрос применения антибиотиков осложняется еще двумя факторами: во-первых, патогенные бактерии очень быстро вырабатывают устойчивость к антибиотикам; во-вторых, у многих людей возникает тяжелая аллергическая реакция на компоненты препаратов. Возникает необходимость поиска альтернатив антибиотикам, предпочтительно наделить исходный имплантационный материал антибактериальными свойствами. Известно, что такими свойствами обладают наночастицы серебра, но в большом количестве они могут быть токсичны для организма.

Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из России, Республики Чехия и США, разработали имплантационный материал с наночастицами металлов, которые эффективно борются с патогенными бактериями, при этом не оказывая угнетающего действия на клетки иммунной системы – лимфоциты.

«Мы имплантировали в матрицу, которой является биосовместимое керамическое покрытие TiCaPCON (титан-кальций-фосфор-углерод-кислород-азот), ионы платины и железа. В результате на поверхности покрытия образуются наночастицы металлов, размером несколько нанометров. Между наночастицами и керамической матрицей образуется разность потенциалов порядка 60 мВ (милливольт). При контакте с поверхностью материала мембрана бактерии может быть разрушена. Кроме того, если дополнительно подвергнуть образец ультрафиолетовому облучению, около поверхности имплантата сформируется большое количество реактивных форм кислорода – свободных радикалов OH-. Такие формы кислорода вступают во взаимодействие с мембраной бактерий, что приводит к ее гибели», – рассказывает Виктор Понамарев, главный автор исследования, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий.

Наносить покрытие можно на различные виды имплантатов. Например, на фото – образец пластины для замещения краниального дефекта

Антибактериальные свойства покрытий оценивали путем погружения образцов в особые питательные бактериальные среды с подготовленными культурами восьми разнообразных штаммов бактерий – золотистого и эпидермального стафилококка, кишечной палочки, клебсиеллы пневмонии и др. Материал продемонстрировал высокие антибактериальные свойства и за 8–12 часов уничтожал от 98% до 100% бактериальных колоний.

Сейчас перед учеными поставлены планы по in vitro тестированию полученных образцов. При этом, еще одним перспективным применением разработанного материала может быть создание фильтров для очистки воды.