Ученые НИТУ «МИСиС» разработали биоактивное покрытие для титановых имплантатов, способное полностью уничтожать бактерии. Его особая пористая структура с биоактивными компонентами в составе ускорит приживаемость имплантата, а комбинаторное действие активных форм кислорода и ионов серебра обеспечит эффективное уничтожение различных штаммов бактерий. Статья о разработке опубликована в международном журнале Applied Surface Science.
Две основные проблемы в имплантационной хирургии — медленная приживаемость имплантата и риск развития бактериальной инфекции в месте его установки. Ускорить приживаемость возможно изготовив имплантат из биоактивного материала, который стимулирует деление остеобластов — костных клеток пациента. С инфекцией же борются при помощи антибиотиков, но бактерии быстро вырабатывают к ним устойчивость. Эта проблема требует создания новых эффективных способов борьбы с инфекциями, например, применение ионов металлов, известных своей бактерицидной активностью или способностью к генерации активных форм кислорода (они губительны для оболочек бактерий).
Большинство современных имплантатов изготавливаются из титана — он прочен, биоинертен и не подвержен коррозии. Однако, титан не обладает биоактивными и антибактериальными свойствами, и именно поэтому ученые активно работают над созданием покрытий, устраняющих эти недостатки. Хорошие результаты демонстрирует пленка оксида титана (TiO2) — из-за пористой структуры она наиболее пригодна для деления костных клеток, а включение в ее состав кальция Ca и фосфора P обеспечивает биоактивность. Тем не менее, по-прежнему важной задачей является наделение имплантата антибактериальными свойствами.
Коллектив научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза НИТУ «МИСиС» (НУЦ СВС НИТУ «МИСиС») разработал покрытия для титановых имплантатов на основе оксида титана с наночастицами серебра и платины. Разработанный ученными материал позволяет ускорить пролиферацию, то есть активное деление клеток в среднем на 12-20%, а также обеспечить уничтожение до 100% бактерий через 72 часа и защиту от формирования бактериальной пленки.
«Для создания пленки оксида титана мы использовали различные электролитические растворы с варьирующимся содержанием кальция и фосфора — „родных“ компонентов натуральной кости человека. В результате эксперимента с тремя различными электролитами были выбраны образцы с оптимальным составом (Ca = 6,3 и P = 4,8 атомных %), на поверхности которых удалось получить структуру со сравнительно однородным диаметром пор — от 0,7 до 2,3 микрометров. Сама по себе такая структура уже благоприятна для размножения клеток остеобластов — это было проверено после выдержки образцов в растворе, приближенном по составу к плазме крови. Металлические наноразмерные частицы на поверхности мы формировали путем имплантации в покрытие ионов платины Pt и серебра Ag в вакуумной камере», — рассказывает главный автор статьи, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС» Виктор Пономарев.
Проникая на глубину примерно 30 нанометров в образец, отдельные ионы образовывали атомы. В результате большой концентрации атомов в этом слое, часть из них вышли на поверхность имплантата и сформировали наночастицы серебра и платины. Серебро на поверхности уже самостоятельно способно обеспечить антибактериальный эффект за счет своих ионов. Но существует их предельная концентрация выше которой могут проявится токсические свойства. Платина же как элемент не обладает никакими бактерицидными свойствами. Присутствие Ag и Pt в виде наночастиц на поверхности оксида титана придает материалу каталитические свойства. В результате, под обычными светом и ультрафиолетовым излучением покрытия способны генерировать большое количество активных форм кислорода, которые уничтожают различные штаммы бактерий.
Для проверки антибактериальных свойств материала образцы помещали в среды с различными штаммами кишечной палочки и золотистого стафилококка. Полученные результаты позволили сделать вывод, что синергетический эффект действия ионов серебра и активных форм кислорода позволяет быстро и эффективно устранять любую бактериальную инфекцию без угрозы для пациента. Образцы с наночастицами платины же уничтожают бактерии только благодаря реактивным формам кислорода.
В дальнейших планах ученых — продолжить эксперименты по повышению биоактивности и бактерицидных свойств имплантатов. В частности, планируется насыщать открытые поры оксида титана антибиотиками, искусственной кровью и пептидами.