Титановый «целитель». Томские политехники научили имплантаты выделять газ для регенерации костей

Учёные Томского политехнического университета (ТПУ) разработали технологию нанесения на имплантаты особых покрытий, способных выделять оксид азота — молекулу, которая играет ключевую роль в заживлении тканей и в борьбе с воспалением. Результаты этой работы, поддержанной государственным заданием «Наука», уже опубликованы в авторитетном международном журнале Applied Surface Science, что подтверждает высокий уровень исследования.

Главная проблема при установке любых имплантатов — от зубных винтов до массивных костных пластин — это риск отторжения и долгое заживление. Организм не всегда дружелюбно принимает инородное тело, даже если оно сделано из биосовместимого титана.

Команда учёных под руководством доцента Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Сергея Твердохлебова предложила сделать поверхность имплантата не просто пассивно нейтральной, а активно полезной.

«Использование покрытий из фосфатов кальция, обогащенных азотом, на сегодняшний день является перспективным подходом. Это может способствовать созданию микросреды заживления ран вокруг имплантата», — поясняет Сергей Твердохлебов.

Секрет заключается в оксиде азота. В живом организме это соединение регулирует тонус сосудов и работает как сигнальная молекула, ускоряющая деление клеток (пролиферацию). Локальное высвобождение оксида азота в строго определённых дозах стимулирует метаболизм в прилегающих тканях, помогая им быстрее врастать в поверхность имплантата.

На фото: костные винты с биоактивным кальций-фосфатным покрытием с добавлением азота

Технологи, чтобы «зарядить» имплантат оксидом азота, использовали метод реактивного магнетронного распыления. В вакуумной камере они распыляли мишень из гидроксиапатита (минерала, который является основой костной ткани) в среде газовых смесей аргона и азота.

«Варьируя пропорции газов, мы можем тонко настраивать свойства будущего покрытия, — комментирует ход эксперимента учёный. — Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия подтвердила успешное внедрение азота в структуру. Мы увидели прямую корреляцию: чем выше концентрация азота в камере, тем больше оксида азота оказывается в самом покрытии».

Оказалось, что состав рабочего газа влияет не только на химию, но и на физику. Например, увеличение доли аргона приводило к росту толщины слоя и снижало шероховатость поверхности. Самые плотные и твёрдые покрытия получались при использовании чистого аргона.

На фото: накостная пластина с биоактивным кальций-фосфатным покрытием с добавлением азота

Теперь перед учёными стоит новая задача — найти тот самый «золотой баланс». Необходимо подобрать идеальное соотношение компонентов газовой среды, чтобы получить покрытие, которое будет одновременно и биоактивным (способствующим росту клеток), и функциональным (выделяющим азот в нужном темпе).

Впереди — важный этап изучения того, как быстро будут растворяться такие покрытия и с какой кинетикой высвобождать оксид азота уже внутри живого организма.

Над проектом работал широкий круг специалистов, что подчеркивает его междисциплинарный характер. В исследованиях были задействованы коллеги из Санкт-Петербургского государственного университета, Сибирского государственного медицинского университета и Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта. Если дальнейшие испытания пройдут успешно, новые биоактивные винты и пластины с оксидом азота смогут значительно сократить сроки реабилитации пациентов после тяжёлых травм и операций, минимизируя риск осложнений.

Текст: Ирина Леонова

Фото: Пресс-служба ТПУ