Российские исследователи нашли способ многократно повысить приживаемость костных имплантатов

Исследователи НИТУ «МИСиС» и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи нашли способ в 4–6 раз повысить эффективность приживаемости полимерных имплантатов костей черепа при помощи белков и поваренной соли. Статья о разработке опубликована в Polymer Testing, сообщает пресс-служба вуза.

Одним из самых широко используемых материалов для изготовления полимерных костных имплантатов является полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) – прочный и устойчивый к агрессивным химическим средам, износостойкий и биосовместимый. Его применяют в основном в спинальной хирургии для протезирования межпозвоночных дисков.

Он перспективен и как материал для изготовления имплантатов трубчатых и плоских костей, но в этом случае требуется обеспечить его прочное срастание ПЭЭК с костью пациента. Для этого необходима дополнительная обработка материала, чтобы создать пористую структуру, в которую прорастала бы костная ткань.

Ни один из применяемых методов (вспенивание газом, разделение фаз) не давал достаточной структурной схожести с натуральной костью, но ученые НИТУ «МИСиС» и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработали комбинаторный подход к созданию имплантатов. Он включает в себя изготовление пористого имплантата из ПЭЭК или ПЭЭК с добавлением гидроксилапатита (основного минерального компонента костной ткани) и 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-процентной пористостью», – рассказал 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», – рассказала руководитель работы со стороны НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи, главный научный сотрудник учреждения Анна Карягина.

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.

Оказалось, что 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.

Работа над совершенствованием полимерных имплантационных материалов будет продолжена. Исследователи намерены использовать биорезорбируемые соединения, растворяющиеся со временем.