Российские ученые совместно с зарубежными коллегами синтезировали керамические материалы для костных имплантатов на основе фосфатов кальция, включающих ионы редкоземельного гадолиния. Полученные материалы продемонстрировали хорошую биосовместимость, отсутствие токсичности, способность стимулировать процессы регенерации костной ткани и подавлять рост болезнетворных микроорганизмов. Разработка будет востребована в ортопедической хирургии, стоматологии и биовизуализации процессов в организме.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

По данным Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время примерно 1,71 миллиарда человек в мире страдает от нарушений и болезней костно-мышечной системы. Заболевания опорно-двигательного аппарата все чаще встречаются не только у пенсионеров, но и у людей молодого и среднего возраста, что сказывается на их трудоспособности и возможности полноценно участвовать в жизни общества. В связи с этим возрастает спрос на синтетические заменители костей (металлы, полимеры, пористоуглеродные соединения, керамику), которые обладают физическими свойствами, близкими к тканям человека, и способностью сопротивляться механическим нагрузкам.

За основу синтетических (композитных) костных имплантатов обычно берут соединения фосфата кальция, так как они аналогичны тем, которые есть в организме человека. Легирование фосфата кальция катионами металлов придает дополнительные полезные свойства материалу, в том числе антибактериальные, и способствует увеличению скорости биорезорбции, а значит, после заживления костного дефекта не потребуется операция по удалению имплантата. Катионы редкоземельного элемента гадолиния (Gd³⁺) часто используются в синтетических материалах на основе керамики, особенно в качестве покрытий, потому что они характеризуются высокой химической стабильностью, увеличивают биодоступность наночастиц в составе покрытия и снижают возможную токсичность препаратов.

Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Москва), Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), Казанского федерального университета (Казань) с коллегами из Экспериментального института зоопрофилактики по областям Лацио и Тоскана (Италия), Национального исследовательского совета (Италия) и Политехнического университета Бухареста (Румыния) исследовали, как изменяются свойства керамических нанокомпозитов в зависимости от способа синтеза.

Сначала они изготовили образец материала, вводя в процессе синтеза фосфата кальция ионы гадолиния. Для этого использовали два различных метода: компоненты осаждали из водных растворов солей или применяли механоактивацию (реакцию между реагентами проводили при воздействии механической нагрузки — для ускорения процесса). Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии авторы изучили изменение физико-химических, биологических и антибактериальных свойств материалов.

Ученые выявили, что в зависимости от способа синтеза керамика приобретала различную микроструктуру. В первом случае (при осаждении из водных растворов солей) размер зерен, из которых состоит материал, составил 1–50 мкм, размер пор – 1–10 мкм, а прочность на изгиб – около 30 МПа. Во втором случае (при механохимической активации) — размер зерна керамики составлял 0,4–1,4 мкм, размер пор – 2 мкм, а прочность на изгиб — около 39 МПа. Керамика, полученная методом механохимической активации, имела более однородную микроструктуру, что говорит о лучшей прочности материала, поскольку чем менее однороден материал, тем выше вероятность возникновения дефектов.

Схема изучения материалов. Автор рисунка — Дина Дейнеко

Биологи также протестировали антимикробную активность керамик по отношению к четырем бактериям (патогенным и нашим симбиотическим) и одному грибку, опасному для людей со сниженным иммунитетом. Оба материала, полученные разными методами, замедлили рост микроорганизмов на 30%. Для изучения жизнеспособности клеток человека на поверхности керамических материалов ученые использовали стволовые клетки пульпы зуба. Исследования доказали отсутствие токсических эффектов для всех приготовленных керамических материалов.

«Эксперименты in vitro подтвердили, что образцы, легированные гадолинием, независимо от способа синтеза демонстрируют хорошую биосовместимость, необходимую для керамических имплантатов, и в то же время проявляют антимикробные свойства», — рассказывает Инна Фадеева, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН.