Исследователи Томского Государственного университета нашли оптимальный сплав для создания биодеградируемых магниевых имплантов

Это решает проблему раннего разрушения имплантов до момента формирования новой костной ткани.

Материаловеды из лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ создали сплав на основе магния для создания биодеградируемых магниевых имплантов. Они имеют контролируемую скорость биодеградации, что открывает возможность их применения почти в любых сферах медицины: травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, а также в восстановительном лечении детей.

Цена перелома

Ежегодно в мире до 500 тысяч человек получают различные травмы позвоночника. Еще миллионы людей ломают другие кости. Многие пострадавшие испытывают последствия травмы в течение всей оставшейся жизни.

Перелом позвоночника создает самый высокий риск формирования вторичных патологий с инвалидизирующими последствиями и даже угрозой для жизни. Но и другие поврежденные кости могут оставить неприятные последствия и ухудшить качество жизни. Особенно в пожилом возрасте. По данным ВОЗ, около 90% случаев повреждения происходят из-за различных травм, например в дорожно-транспортных происшествиях или после падения.

Перелом в медицинском отношении является сложным и деструктивным нарушением. Например, исследования показывают, что выживаемость при повреждении позвоночника, а также дальнейшее состояние здоровья и социального участия пациентов, полностью зависит быстрой и точной помощи врача, а также качественной реабилитации.

До наступления 21 века травма позвоночника для людей была практически приговором к смерти. Также как и несколько веков назад любой перелом мог стать причиной преждевременной кончины. Но с развитием технологий появились новые способы лечения, которые значительно повысили шансы пациентов на восстановление после повреждения любых костей, в том числе и позвоночного столба.

Костный имплант

Врачи давно искали эффективные способы помочь людям с повреждением костной ткани. Самые передовые методы сейчас используют импланты из биологически разлагаемых материалов. Они устраняют необходимость повторной операции, так как сами по себе деградируют под воздействием физиологических процессов в организме. Инородные элементы вживляются в поврежденную кость, фиксируют ее и помогают в формировании новой ткани. Они имеют пористую структуру и содержат в себе небольшую донорскую часть из кости самого пациента. Это позволяет избежать реакций на инородное тело и отчуждения имплантов.

Специалисты вживляют донорскую костную ткань человеку, чтобы она обеспечила место повреждения собственными остеобластами пациента для преодоления перелома или разрыва в скелете. Эти молодые клетки костной ткани активно синтезируют межклеточное вещество – матрикс. В основной фазе их многочисленные отростки контактируют между собой, а также с отростками клеток сформировавшейся костной ткани – остеоцитов. Еще остеобласты участвуют в процессе отложения солей кальция в межклеточном веществе, что приводит к образованию полостей с формированием новых остеоцитов.

Пористая структура биодеградируемых имплантов стимулирует активность остеобластов и формирование свежей костной ткани в месте, заранее запрограммированном врачами. Через некоторое время на месте вживленного человеку инородного предмета появляется собственная костная ткань, которая хорошо восстанавливает функцию поврежденной кости.

Магниевое чудо

Часто для создания биодеградируемых имплантатов используют новые полимерные материалы. Из них печатают хирургические элементы на специальном 3D-принтере. Для мест с существенной нагрузкой вместо хрупких пластиков врачи используют имплантаты на основе магния.

Магний привлекает внимание исследователей благодаря хорошей биосовместимости и механическим свойствам, сходным с базовыми свойствами костей человека. При этом магний является одним из важнейших микроэлементов в организме, который участвует более чем в 300 различных ферментативных реакциях и играет важную роль в энергетическом обмене.

Металл имеет высокую прочность, поэтому из него делают винты и другие вживляемые элементы. Но в отличие от, например, титана магниевые импланты разрушаются в результате коррозии. При этом образуется хорошо растворимый хлорид магния и водород. Газ имеет отличную антиоксидантную активность и выборочно поглощает гидроксильные радикалы и пероксинитрит, то есть предотвращает разрушающее действие свободных радикалов на живые клетки. Получается, что процесс коррозии сам по себе уменьшает местную воспалительную реакцию в кости, а также раздражение окружающих тканей и, следовательно, приводит к меньшей вероятности развития остеолиза – патологической деградации кости.

Также биоразлагаемые магниевые сплавы в процессе заживления костного дефекта

ткани меняют свою прочность – в отличие от постоянных имплантатов из титана и нержавеющей стали. Это предотвращает неравномерное ремоделирование костной ткани, когда участки резорбции у пациента сочетаются с гипертрофией костной ткани: металлические импланты могут создавать эффект экранирования напряжений, при котором искажается естественное распределение напряжений и деформаций в кости.

Врачи применяют магний для лечения пациентов уже достаточно давно. Еще в 1878 году Эдвард К. Хьюз использовал магниевые проволоки в качестве лигатуры для кровоточащих сосудов. Главное преимущество металла в том, что из-за быстрой коррозии имплантата у большинства пациентов не бывает боли, а также не появляется инфекций в послеоперационном периоде.

По данным научных исследований, современные биодеградируемые импланты из магниевых сплавов в прочности значительно превышают аналоги, например, из стекловолокна или полимолочной кислоты. Только в России сейчас ежегодно проводится более 10 тысяч операций с применением магниевых имплантатов.

Но есть нюанс

В перспективе материал может полноценно заменить титан, традиционно используемый для фиксации перелома кости. Но текущая технология производства магниевых хирургических имплантатов еще далека от идеальной.

В настоящее время остается ряд проблем, связанных с применением материалов на основе этого металла. Чистый магний и некоторые его сплавы подвержены слишком быстрой коррозии, что приводит к раннему разрыхлению или дезинтеграции имплантатов до момента формирования новой костной ткани. Такая гиперактивная коррозия вызывает чрезмерное выделение водорода в области имплантации, что может оказывать негативное влияние на окружающие ткани и препятствовать восстановлению кости.

Помимо этого, неоднородная степень деградации магния и его сплавов с образованием локальных дефектов способствует снижению механической прочности имплантов. Это может привести к перелому замещенного элемента кости до окончания предполагаемого срока службы. Поэтому биодеградируемые импланты на основе магниевых сплавов пока что не применяют для лечения травм костей с высокой нагрузкой, например, костно-хрящевых дефектов.

Победа над коррозией

Проблему ранней деградации недавно решили ученые лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов Томского Государственного университета (ТГУ), которая была создана при поддержке мегагранта правительства России. Молодые профессионалы как раз занимаются исследованиями и разработкой передовых биосовместимых материалов для замещения дефектов мягких и твердых тканей.

«Проблемой использования магния в медицине является биодеградация, которая приводит к потере механической целостности имплантата до формирования костной ткани. Эффективным решением этой задачи является сочетание специального покрытия, полученного методом микродугового оксидирования, и легирования – введения в металлы и сплавы добавок, придающих им нужные физические и механические свойства», – объясняет научный сотрудник лаборатории сверхэластичных биоинтерфесов ТГУ Арина Шишелова.

Ученые исследовали сочетания различных материалов в поиске новейших сплавов с заданными характеристиками. В ходе кропотливых экспериментов они подобрали оптимальный состав сплава магния с добавлением кальция и цинка.

Материаловеды изучили микроструктуру уникального вещества, а затем провели лабораторные тесты на клеточных культурах на цитосовместимость, то есть возможное негативное влияние на живую ткань. После того, как сплав прошел все базовые тесты, из него изготовили цилиндрические имплантаты диаметром два миллиметра и установили их в бедренные кости кроликам. Эту хирургическую процедуру проводили специалисты Уральского медицинского университета в Екатеринбурге.

Результаты исследования превзошли все ожидания. Материал показал высокую биосовместимость и полное отсутствие гнойно-воспалительных осложнений у всех животных в течение первых 28 дней после имплантации. Именно первый месяц после установки обычно представляет самый большой риск развития послеоперационных осложнений.

Благодаря большому опыту в области создания медицинских материалов, в лаборатории сверхэластичных биоинтерфесов на основе нового магниевого сплава получилось создать конструкцию с контролируемой скоростью биодеградации. То есть имплантам теперь можно дополнительно задавать время и скорость коррозии. Это достижение значительно увеличивает ценность и спектр применения биоразлагаемых конструкций в восстановлении костных тканей, например, в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.

Особенно важно, что новые импланты можно будет использовать в восстановительном лечении детей как после травм, так и при приобретенных заболеваниях или врожденных патологиях, поскольку в процессе взросления не нужно проводить повторную операцию по извлечению инородного предмета и еще раз подвергать ребенка стрессу.

Помимо изобретения магниевого сплава с контролируемым процессом биодеградации, ученые лаборатории сверхэластичных биоинтерфейсов ТГУ разработали универсальный метод, который позволяет оптимально подбирать физические характеристики импланта под ткани самого пациента. Материаловеды создали отдельный атлас – классификатор материалов и биотканей, который упростит работу остальным ученым и врачам-хирургам.

Перспективный материал значительно повысит процент пациентов, которые успешно восстанавливаются после серьезных травм и возвращаются к полноценной жизни. Это позволит в ближайшие годы резко снизить количество людей с инвалидизирующими последствиями травм, а в перспективе позволит создать следующие поколения имплантатов для восстановления не только твердой костной ткани, но и других типов мягких тканей.

Источник