Ученые создали биоразлагаемые ортопедические импланты из магниевого сплава

Фундаментальные основы создания из биорезорбируемого магниевого сплава имплантатов со сложным трехслойным покрытием для применения в восстановительной ортопедической хирургии заложили исследователи из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, 4 декабря сообщила пресс-служба Томского научного центра (ТНЦ) СО РАН.

Такие биоразлагаемые винты, пины и пластины, которые служат для фиксации и точного выравнивания костных переломов и т. п. целей, будут растворяться в организме пациента с нужной скоростью, постепенно замещаясь костной тканью. Благодаря этому будет не нужна повторная операция для их извлечения.

Руководитель проекта, профессор, главный научный сотрудник и заведующий лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН доктор физико-математических наук Юрий Шаркеев рассказал, какие проблемы мешают широкому применению в медицине изделий из магниевых сплавов:

«Первая — это высокая скорость их резорбции, которую нужно научиться замедлять и контролировать. Например, имплантат растворится через два месяца после его установки в организме, а костная ткань полностью сформируется лишь спустя пять-шесть месяцев после операции. Вторая проблема — относительно низкие механические свойства и коррозионная стойкость магниевых сплавов, по сравнению с биоинертными титановыми сплавами. Кроме того, при биорезорбции магния выделяется большое количество водорода, что также является серьезной проблемой на пути внедрения в практику крупных медицинских изделий из этого материала».

Поэтому задачей исследователей ИФПМ СО РАН стала разработка медицинских изделий, которые были бы лишены этих недостатков, для чего нужно было найти способы контролировать скорость их резорбции.

С этой целью сначала материал растворяемого имплантата на основе магниевого сплава они подвергали интенсивной пластической деформации. Это было сделано для изменения структуры материала, чтобы она стала ультрамелкозернистой (со средним размером зерна до одного микрометра и менее).

«Когда нам удается сделать структуру магния очень мелкозернистой, возрастает однородность распределения легирующих элементов и доля границ зерен, благодаря этому защитная пленка из гидроксида магния в ходе растворения материала формируется более равномерно и сплошно по всей поверхности, — пояснил научный сотрудник лаборатории Константин Просолов. — Такая пленка лучше защищает сплав от коррозии, а мелкозернистая структура обеспечивает высокие механические свойства».

Чтобы управлять скоростью резорбции, томские ученые предложили наносить на имплантат мультислойное покрытие, варьируя его структуру. Первым слоем в нем стало кальций-фосфатное покрытие с остеокондуктивным (стимулирующим регенерацию костной ткани в области дефекта) микроэлементом стронцием.

Покрытие наносилось методом микродугового оксидирования. Оно контролирует скорость растворения имплантата, одновременно являясь матрицей, которую параллельно с процессом резорбции будут колонизировать собственные костные клетки организма.

В качестве второго слоя наносился биоразлагаемый сополимер молочной и гликолевой кислот (PLGA), который стал барьером, защищающим имплантат от агрессивной физиологической среды.

Третий слой — оксид циркония, наносился методом высокочастотного магнетронного распыления. Он, не изменяя скорость растворения, увеличивает биосовместимость изделия и улучшает его механические свойства, что особенно важно для вкручиваемых винтов и пинов.

При этом толщина всех слоев определяется тем, когда именно конкретный имплантат должен будет раствориться, заместившись костной тканью, так как в одной ситуации он должен раствориться целиком спустя, например, три месяца, в ином случае необходимо, чтобы он оставался в организме пациента почти год.

Изготовленные по разработанной методике прототипы имплантатов были испытаны на статическую и динамическую нагрузки. Для исследований того, как прототипы будут противостоять деформации в физиологической среде, использовался специально разработанный прибор-приставка, имитирующий проток биологической среды организма. На имплантаты, находившиеся в такой среде, давили с усилием 6000 ньютонов в течение 48 часов.

Кроме того, имплантаты впервые были проверены на устойчивость к циклическому сжатию в физиологической среде. Каждый образец испытывался в течение 900 тысяч циклов с частотой нагружения не более 5 Гц, что имитировало различные движения, которые человек совершает в повседневной жизни.

Текущий, последний год проекта был посвящен испытаниям всех вариантов изделий на цитотоксичность (способность вещества оказывать токсическое воздействие на клетки организма). Результат показал, что созданные в ИФПМ СО РАН прототипы имплантатов успешно прошли все проверки. В настоящее время ученые намерены продолжить свою работу в кооперации с медиками, создавая для их практических нужд различные виды имплантатов по разработанной технологии.