Довольно большое число наших публикаций посвящено биомедицинским технологиям. В последнее время – особенно. Нет, мы не сужаем наш профиль, просто уж очень много хороших новостей по теме. Кстати, вот еще одна – про полимерные имплантаты, поваренную соль, минералы, белки и мышей.
Одним из самых широко используемых материалов для изготовления полимерных костных имплантатов является полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) – он прочен, устойчив к агрессивным химическим средам, износостоек, биосовместим. ПЭЭК применяют, в основном, в спинальной хирургии – для протезирования межпозвоночных дисков. Однако он также перспективен в качестве материала для изготовления имплантатов трубчатых и плоских костей. В этом случае требуется обеспечить прочное срастание ПЭЭК с костью пациента. Для этого необходима дополнительная обработка материала для создания пористой структуры, в которую прорастала бы костная ткань. Однако до настоящего времени ни один из применяемых методов (например, вспенивание газом или разделение фаз) не давал достаточной структурной схожести с натуральной костью.
Ученые из НИТУ «МИСиС» и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработали комбинаторный подход к созданию имплантатов, включающий в себя изготовление пористого имплантата из ПЭЭК или ПЭЭК с добавлением гидроксилапатита – основного минерального компонента костной ткани, а также двух белков, эритропоэтина (EPO) и костного морфогенетического белка BMP-2.
Для формирования структуры использовались кристаллы соли двух размеров – 106-200 микрометров и 40-75 микрометров. Первые позволили сформировать поры в материале, вторые – микрорельеф на их поверхности. Если поры нужны в большей степени для прорастания кровеносных сосудов и костной ткани, то микрорельеф способствует прикреплению к поверхности имплантата остеобластов – собственных клеток пациента, формирующих костную ткань.
В ходе дальнейших экспериментов образцы материала имплантировались в 4-милиметровый круглый дефект черепа у восьми групп лабораторных мышей. В каждой из групп образцы имели различный состав – чистый ПЭЭК, ПЭЭК без белков, ПЭЭК с разной концентрацией белков, те же варианты с добавлением ГАП. Девятая группа была контрольной – имплантат не вживлялся.
Как показал эксперимент, оптимальными являются комбинации из ПЭЭК (с гидроксилапатитом или без), EPO 3,5 микрограмма и BMP-2, также 3,5 микрограмма. Именно в этих группах удалось достичь максимального зарастания костного дефекта за 6 недель эксперимента. В целом, за счет введения рекомбинантных белков удалось повысить эффективность приживаемости имплантатов (что выражается в увеличении процентного содержания костной ткани) в 4 – 6 раз. Это позволит пациенту быстрее восстановиться после операции; кроме того, новая костная ткань на месте дефекта сможет выдерживать такие же механические нагрузки, как и до операции.
Ученые планируют продолжить работу над совершенствованием полимерных имплантационных материалов, в том числе, используя биорезорбируемые, то есть растворяющиеся со временем соединения.
Одним из самых широко используемых материалов для изготовления полимерных костных имплантатов является полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) – он прочен, устойчив к агрессивным химическим средам, износостоек, биосовместим. ПЭЭК применяют, в основном, в спинальной хирургии – для протезирования межпозвоночных дисков. Однако он также перспективен в качестве материала для изготовления имплантатов трубчатых и плоских костей. В этом случае требуется обеспечить прочное срастание ПЭЭК с костью пациента. Для этого необходима дополнительная обработка материала для создания пористой структуры, в которую прорастала бы костная ткань. Однако до настоящего времени ни один из применяемых методов (например, вспенивание газом или разделение фаз) не давал достаточной структурной схожести с натуральной костью.
Ученые из НИТУ «МИСиС» и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработали комбинаторный подход к созданию имплантатов, включающий в себя изготовление пористого имплантата из ПЭЭК или ПЭЭК с добавлением гидроксилапатита – основного минерального компонента костной ткани, а также двух белков, эритропоэтина (EPO) и костного морфогенетического белка BMP-2.
«Вначале мы разбивали порошок гидроксиапатита в более мелкие частицы при помощи планетарной мельницы. Затем смешивали его с ПЭЭК и добавляли хлорид натрия, поваренную соль, причем с частицами сферической формы – не любая соль подойдет, так как кристаллы соли могут быть кубической формы, а это не соответствует естественной пористости кости. После термопрессования образцы отмывались для растворения соли. В результате получался материал с 80%-ой пористостью», – рассказывает один из основных авторов разработки, студент программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Александр Чубрик.
Для формирования структуры использовались кристаллы соли двух размеров – 106-200 микрометров и 40-75 микрометров. Первые позволили сформировать поры в материале, вторые – микрорельеф на их поверхности. Если поры нужны в большей степени для прорастания кровеносных сосудов и костной ткани, то микрорельеф способствует прикреплению к поверхности имплантата остеобластов – собственных клеток пациента, формирующих костную ткань.
«Для привлечения вместо установки имплантата остеобластов и индукции роста костной ткани мы насыщали образцы рекомбинантным белком BMP-2, полученным в нашей лаборатории. Добавление рекомбинантного эритропоэтина, также разработанного нами, должно было способствовать усиленному прорастанию сосудов и дополнительному росту костной ткани. Работа по получению материала и характеристике его свойств была выполнена в рамках проекта, финансируемого РНФ», — комментирует руководитель работы со стороны НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Анна Карягина, профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи.
В ходе дальнейших экспериментов образцы материала имплантировались в 4-милиметровый круглый дефект черепа у восьми групп лабораторных мышей. В каждой из групп образцы имели различный состав – чистый ПЭЭК, ПЭЭК без белков, ПЭЭК с разной концентрацией белков, те же варианты с добавлением ГАП. Девятая группа была контрольной – имплантат не вживлялся.
Как показал эксперимент, оптимальными являются комбинации из ПЭЭК (с гидроксилапатитом или без), EPO 3,5 микрограмма и BMP-2, также 3,5 микрограмма. Именно в этих группах удалось достичь максимального зарастания костного дефекта за 6 недель эксперимента. В целом, за счет введения рекомбинантных белков удалось повысить эффективность приживаемости имплантатов (что выражается в увеличении процентного содержания костной ткани) в 4 – 6 раз. Это позволит пациенту быстрее восстановиться после операции; кроме того, новая костная ткань на месте дефекта сможет выдерживать такие же механические нагрузки, как и до операции.
Ученые планируют продолжить работу над совершенствованием полимерных имплантационных материалов, в том числе, используя биорезорбируемые, то есть растворяющиеся со временем соединения.