Международная научная команда исследовала биоактивные покрытия для 3D-печатных костных имплантатов

Ученые Томского политехнического университета в составе международной коллаборации предложили новый комплексный подход к изготовлению и функционализации 3D-печатных имплантатов для протезирования тазобедренных суставов. Он может лечь в основу проектирования покрытий из фосфата кальция с заданным составом, обладающих улучшенной биоактивностью, механической и коррозионной стойкостью, и в итоге обеспечить лучшую интеграцию и больший срок службы.

Среди основных причин повторного эндопротезирования — асептическое расшатывание, износ и выход из строя имплантатов. Сроки службы коммерческих металлических имплантатов ограничены и зависят от активности пациентов. К тому же, большая часть имплантатов доступна лишь в стандартизированных размерах, поэтому разработка персонализированных имплантатов остается одной из важнейших задач, сообщает пресс-служба ТПУ.

Один из перспективных методов производства частично или полностью индивидуализированных по форме и функциям имплантатов — 3D-печать методом электронно-лучевого спекания. Выбор материала критически важен: большинство коммерчески доступных бедренных стержней делают из титановых сплавов, содержащих алюминий, ванадий или ниобий, однако они обладают рядом недостатков, поэтому все больший интерес вызывают титановые сплавы, содержащие биосовместимые легирующие элементы, например ниобий. Чтобы улучшить взаимодействие имплантатов с тканями, повысить остеинтеграцию и минимизировать долгосрочные осложнения, применяют различные методы модификации поверхностей, например, наносят покрытия на основе гидроксиапатита методом плазменного напыления. Такие покрытия химически схожи с костным минералом и отличаются хорошей остеокондуктивностью, способствуя быстрому срастанию с костными тканями.

«Нанесение покрытий методом высокочастотного магнетронного напыления обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с плазменным напылением. Такой подход позволяет получать плотные и композиционно однородные пленки, а также значительно улучшает адгезию и сохраняет химическую целостность гидроксиапатита, минимизируя цитотоксичность побочных продуктов. Еще один перспективный подход — покрытия на основе гидроксиапатита, легированные ионами магния и стронция, что дает синергетический эффект, улучшающий биоактивность и адгезию покрытий», — рассказала инженер научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Козадаева.

Ученые представили комплексный подход к созданию и функционализации имплантатов. Гироидные скаффолды на основе сплавов титана и ниобия получены методом электронно-лучевого спекания. На скаффолды методом высокочастотного магнетронного напыления наносились покрытия из гидроксиапатита, легированного ионами магния или стронция, а также ионами магния и стронция одновременно. После этого анализировались свойства полученных образцов, а цитосовместимость скаффолдов, активность щелочной фосфатазы, уровни отложения кальция и производства коллагена были изучены in vitro на преостеобластических клетках.

«Первопринципные расчеты на уровне электронной структуры показали, что внедрение стронция практически не нарушает дальний порядок кристаллической решетки, тогда как магний создает зоны локальных микронапряжений и способствует аморфизации структуры. Это напрямую объясняет, почему именно легирование стронцием повышает механическую прочность, а магнием — снижает ее при сохранении биосовместимости», — пояснила старшая научная сотрудница центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Ирина Грубова.

Наиболее сбалансированное сочетание структурной стабильности, коррозионной стойкости, механической прочности и биологических свойств продемонстрировали покрытия на основе фосфата кальция, легированного ионами и магния, и стронция, что делает его наиболее перспективным для модификации поверхностей ортопедических скаффолдов.

«В совокупности экспериментально-вычислительный подход позволил создать целостную и прогностическую основу для рационального проектирования биоактивных поверхностей с заданным составом. Полученные результаты подтвердили, что точная настройка кристалличности и элементного состава покрытий из фосфата кальция имеет важное значение для оптимизации их свойств для будущих клинических применений. Контролируя такие факторы, как содержание и тип легирующей добавки, структуру и фазовый состав, можно создавать покрытия, обеспечивающие надлежащий баланс между улучшенной биосовместимостью, механической прочностью и коррозионной стойкостью, гарантируя лучшую интеграцию и долговременную работу имплантируемых медицинских устройств», — рассказала ведущая научная сотрудница центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Мария Сурменева.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.

Источник: Томский политехнический университет

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.