Команда ученых Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с российскими, чешскими и американскими коллегами разработали биосовместимый материал для имплантации, который способен бороться с патогенными бактериями без применения антибиотиков. Благодаря действию наночастиц металлов, материал способен уничтожать до 98% процентов бактерий уже в первые 12 часов после установки. Статья о разработке опубликована в журнале Applied Materials & Interfaces.
Образцы антибактериальных покрытий
Бактериальная инфекция, которая возникает в 1-4% случаев при установке имплантатов, а при сложных переломах может достигать 30%, представляет серьезную угрозу для здоровья пациента. Зачастую установленный имплантат приходится извлекать, что в крайнем случае приводит к ампутации части конечности. В более легких случаях проводится терапия антибиотиками, однако, организм подвергается колоссальному стрессу.
Вопрос применения антибиотиков осложняется еще двумя факторами: во-первых, патогенные бактерии очень быстро вырабатывают устойчивость к антибиотикам; во-вторых, у многих людей возникает тяжелая аллергическая реакция на компоненты препаратов. Возникает необходимость поиска альтернатив антибиотикам, предпочтительно наделить исходный имплантационный материал антибактериальными свойствами. Известно, что такими свойствами обладают наночастицы серебра, но в большом количестве они могут быть токсичны для организма.
Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из России, Республики Чехия и США, разработали имплантационный материал с наночастицами металлов, которые эффективно борются с патогенными бактериями, при этом не оказывая угнетающего действия на клетки иммунной системы – лимфоциты.
«Мы имплантировали в матрицу, которой является биосовместимое керамическое покрытие TiCaPCON (титан-кальций-фосфор-углерод-кислород-азот), ионы платины и железа. В результате на поверхности покрытия образуются наночастицы металлов, размером несколько нанометров. Между наночастицами и керамической матрицей образуется разность потенциалов порядка 60 мВ (милливольт). При контакте с поверхностью материала мембрана бактерии может быть разрушена. Кроме того, если дополнительно подвергнуть образец ультрафиолетовому облучению, около поверхности имплантата сформируется большое количество реактивных форм кислорода – свободных радикалов OH-. Такие формы кислорода вступают во взаимодействие с мембраной бактерий, что приводит к ее гибели», – рассказывает Виктор Понамарев, главный автор исследования, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий.
Наносить покрытие можно на различные виды имплантатов. Например, на фото – образец пластины для замещения краниального дефекта
Антибактериальные свойства покрытий оценивали путем погружения образцов в особые питательные бактериальные среды с подготовленными культурами восьми разнообразных штаммов бактерий – золотистого и эпидермального стафилококка, кишечной палочки, клебсиеллы пневмонии и др. Материал продемонстрировал высокие антибактериальные свойства и за 8-12 часов уничтожал от 98% до 100% бактериальных колоний.
Сейчас перед учеными поставлены планы по in vitro тестированию полученных образцов. При этом, еще одним перспективным применением разработанного материала может быть создание фильтров для очистки воды.
Образцы антибактериальных покрытий
Бактериальная инфекция, которая возникает в 1-4% случаев при установке имплантатов, а при сложных переломах может достигать 30%, представляет серьезную угрозу для здоровья пациента. Зачастую установленный имплантат приходится извлекать, что в крайнем случае приводит к ампутации части конечности. В более легких случаях проводится терапия антибиотиками, однако, организм подвергается колоссальному стрессу.
Вопрос применения антибиотиков осложняется еще двумя факторами: во-первых, патогенные бактерии очень быстро вырабатывают устойчивость к антибиотикам; во-вторых, у многих людей возникает тяжелая аллергическая реакция на компоненты препаратов. Возникает необходимость поиска альтернатив антибиотикам, предпочтительно наделить исходный имплантационный материал антибактериальными свойствами. Известно, что такими свойствами обладают наночастицы серебра, но в большом количестве они могут быть токсичны для организма.
Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из России, Республики Чехия и США, разработали имплантационный материал с наночастицами металлов, которые эффективно борются с патогенными бактериями, при этом не оказывая угнетающего действия на клетки иммунной системы – лимфоциты.
«Мы имплантировали в матрицу, которой является биосовместимое керамическое покрытие TiCaPCON (титан-кальций-фосфор-углерод-кислород-азот), ионы платины и железа. В результате на поверхности покрытия образуются наночастицы металлов, размером несколько нанометров. Между наночастицами и керамической матрицей образуется разность потенциалов порядка 60 мВ (милливольт). При контакте с поверхностью материала мембрана бактерии может быть разрушена. Кроме того, если дополнительно подвергнуть образец ультрафиолетовому облучению, около поверхности имплантата сформируется большое количество реактивных форм кислорода – свободных радикалов OH-. Такие формы кислорода вступают во взаимодействие с мембраной бактерий, что приводит к ее гибели», – рассказывает Виктор Понамарев, главный автор исследования, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий.
Наносить покрытие можно на различные виды имплантатов. Например, на фото – образец пластины для замещения краниального дефекта
Антибактериальные свойства покрытий оценивали путем погружения образцов в особые питательные бактериальные среды с подготовленными культурами восьми разнообразных штаммов бактерий – золотистого и эпидермального стафилококка, кишечной палочки, клебсиеллы пневмонии и др. Материал продемонстрировал высокие антибактериальные свойства и за 8-12 часов уничтожал от 98% до 100% бактериальных колоний.
Сейчас перед учеными поставлены планы по in vitro тестированию полученных образцов. При этом, еще одним перспективным применением разработанного материала может быть создание фильтров для очистки воды.
Комментарии (6)
stamir
15.10.2019 09:50Между наночастицами и керамической матрицей образуется разность потенциалов порядка 60 мВ (милливольт). При контакте с поверхностью материала мембрана бактерии может быть разрушена.
А окружающим тканям организма это не повредит? Ну т.е. антибатериальные свойства это, вероятно, хорошо, но не помешает ли это процессу заживления?
Кроме того, если дополнительно подвергнуть образец ультрафиолетовому облучению, около поверхности имплантата сформируется большое количество реактивных форм кислорода – свободных радикалов OH-. Такие формы кислорода вступают во взаимодействие с мембраной бактерий, что приводит к ее гибели
А это вообще странное достижение. Зачем в организме ещё один источник окислительного стресса?
saege5b
16.10.2019 10:49Ещё интересно, как облучать имплантант, котоорый «закопан в мясе» ультрафиолетом, у которрого проницаемость — никакая?
mixeon
Я в биологии не сведущ, поэтому возник вопрос. Как будут реагировать эритроциты, лейкоциты и тромбоциты с таким покрытием?
drWhy
Да делов то. Осталось Т-хелперы перепрограммировать, чтобы игнорили новый материал.
Если серьёзно, титан используют для иплантов, как и другие металлы, керамику, цемент. Конечно, каждый новый материал проходит контроль на биосовместимость, сначала на животных, потом на людях.
mperemitina Автор
Этот вопрос требует дополнительных длительных клинических исследований, которые не проводят на начальных этапах разработки. Стандартными для оценки токсичности материала являются тесты с лимфоцитами (которые являются разновидностью лейкоцитов), так как это основные клетки иммунной системы, которые в первую очередь реагируют на инородные тела в организме.
mperemitina Автор
Отрицательные результаты иммунного ответа со стороны лимфоцитов свидетельствуют о возможности применения материала для установки в организме человека :)