Ученые Томского политехнического университета вместе со своими германскими коллегами из университета Дуйсбург-Эссен предложили использовать сферические наночастицы кальций-фосфата в качестве покрытия для имплантатов из сплава ВТ6. Это наиболее распространенный сплав титана с добавлением алюминия и ванадия, из которого делают медицинские имплантаты.

Биологические исследования на клетках показали, что наночастицы кальций-фосфата делают поверхность имплантата супергидрофильной, то есть поверхность хорошо смачивается жидкостями. А это значит, что живые клетки в организме пациента будут лучше взаимодействовать с имплантатом, что в свою очередь снижает риск его отторжения. Результаты исследования опубликованы в журнале первого квартиля Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (IF: 3,997).

Фото: микрофотографии скэффолдов титанового сплава Ti6Al4V, изготовленных методом электронно-лучевого сплавления, до (a) и после (b) нанесения кальций-фосфатных наночастиц

В Томском политехе исследования ведутся в Исследовательской школе химических и биомедицинских технологий — в научно-исследовательском центре «Физическое материаловедение и композитные материалы» (директор центра Роман Сурменев).

«Сплав ВТ6 (Ti6Al4V) — один из самых распространенных для изготовления имплантатов. Из него делают имплантаты, например, тазобедренных суставов. Более того, этот сплав пригоден для изготовления имплантатов с помощью аддитивных технологий, в частности, методом электронно-лучевого плавления. Тогда имплантаты можно “печатать” индивидуально под каждого пациента. Такой подход уже используется в разных странах. Например, в Швеции, где в Университете Центральной Швеции (г. Эстерсунда) работают наши коллеги-ученые, — рассказывает один из авторов статьи, инженер-исследователь центра “Физическое материаловедение и композитные материалы” Екатерина Чудинова. — Однако титан сам по себе — инертный металл, клетки с ним плохо взаимодействуют, и внутри организма он может отторгаться. Это серьезная проблема для современной имплантологии. Поэтому для титана необходимо найти покрытие, биологически совместимое с окружающей костной и мышечной тканью».

Кроме того, ванадий и алюминий, входящие в составе ВТ6, — токсичные элементы. Поэтому покрытие для таких имплантатов должно решать сразу две задачи — защищать организм пациента от алюминия и ванадия, а также помогать имплантату лучше приживаться.

«Мы предлагаем использовать покрытие из сферических наночастиц кальций-фосфата. Это соединение — минеральная составляющая человеческой кости. Поэтому организм не воспринимает его как чужеродный элемент. С одной стороны, покрытие дает защиту от алюминия и ванадия, с другой повышает биосовместимость всего имплантата», — говорит Екатерина Чудинова.

Фото: схема синтеза кальций-фосфатных наночастиц и их электрофоретического осаждения на Ti6Al4V скаффолды

Для экспериментальной части исследования ученые ТПУ создавали из сплава ВТ6 специальные скаффолды — по сути это каркасы, которые служат основой для роста новой ткани в регенеративной медицине. Их изготавливали методом электронно-лучевого сплавления. А затем методом электрофоретического осаждения на них наносили покрытие — около 11 микрометров — из наночастиц кальций-фосфата.

Это исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Как отмечает старший научный сотрудник центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ и руководитель проекта РНФ Мария Сурменева, биологические исследования на клетках проводились в Санкт-Петербурге. Они продемонстрировали, что модифицирование поверхности кальций-фосфатными наночастицами, приводящее к значительным уменьшения угла смачиваемости, а значит — к улучшению гидрофильности поверхности, усиливает адгезию и рост клеток. Это говорит о том, что они будут лучше прирастать к поверхности.

По словам исследователей, им первым удалось нанести на титановые подложки, сделанные методом электронно-лучевого плавления, покрытие из кальций-фосфата и при этом получить супергидрофильное покрытие.

Исследование проводится в сотрудничестве с Университетом Центральной Швеции, Университетом Дуйсбург-Эссен (Германия), Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого и Первым Санкт-Петербургским государственным медицинским университетом им. И.П. Павлова. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.