Ученые ЮФУ представили результаты работы над «умными» имплантатами, которые в перспективе могут стать полноценной костной тканью.
Основной проблемой при протезировании костей и зубов является приживаемость имплантата. Решению этой задачи может помочь брушит — фосфатный минерал, с помощью которого можно делать имплантаты, способные не только приживаться, но и превращаться в материал, из которого состоят кости и зубы — гидроксиапатит.
Ученые Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ обнаружили способ управления преобразованием брушита в гидроксиапатит с помощью комбинации двух типов добавок.
«Мы установили взаимно усиливающий эффект между карбонатом кальция и белками. Вместе они работают как катализатор, заставляя частицы брушита растворяться и сразу же выстраиваться в прочные кристаллы гидроксиапатита, идентичные натуральным», — рассказала заведующая научной лабораторией МИИ ИМ ЮФУ Елизавета Муханова.
Это явление ученые объяснили через эффект Ребиндера — процесс, при котором поверхностно-активные вещества, покрывая твердое тело, изменяют его прочность. Он позволяет не только ускорить процесс заживления, но и контролировать форму и размер получаемых кристаллов, что критически важно для прочности будущей кости.
«Гидроксиапатит уже широко применяется в протезировании, но композиты с ним имеют ряд технических недостатков. Наш подход позволяет использовать более активные фосфаты, которые превращаются в гидроксиапатит уже после протезирования, что дает значительные преимущества», — отметила Елизавета Муханова.
По ее словам, полученные результаты могут быть использованы при разработке новых материалов в ортопедии и стоматологии. На основе этих данных можно проектировать так называемые «умные» биоматериалы, способные адаптироваться к потребностям организма конкретного человека.
«Хотя в научной литературе описаны исследования условий превращения брушита в гидроксиапатит, основным отличием нашей работы является использование двух типов добавок и исследование синергетического эффекта их комбинации. Мы не только установили этот факт, но и объяснили механизм действия через эффект Ребиндера», — добавила ученая.
Исследование показало, что из всех протестированных смесей активнее всего сработала та, где в качестве белка использовался яичный альбумин. По словам ученых, она быстрее превращается в «костный» материал. Когда такая «пломба» попадает в жидкость, похожую на кровь или слюну, частицы брушита постепенно растворяются, а на их месте вырастают новые, более прочные кристаллы гидроксиапатита.
Композитные образцы получали в виде паст. Превращения компонентов паст исследовались в трех средах — воде, физиологическом растворе и растворе, имитирующем внеклеточную жидкость по минеральному составу. Для исследования образцов применялись рентгенофазовый анализ и сканирующая электронная микроскопия.
На данном этапе перед учеными стоит задача тестирования полученных материалов для количественной оценки их эффективности, безопасности и возможности использования в персонализированной медицине.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на развитии ключевых научных направлений, которые должны ответить на глобальные долгосрочные вызовы, стоящие перед человечеством, страной и миром. Среди них — стратегический проект «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство», в реализации которого активное участие принимают исследователи Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ.
