Предложена новая технология изготовления композитных имплантатов для регенерации костной ткани

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из НИИ онкологии Томского НИМЦ и Харбинского технологического института предложили подход, позволяющий улучшить механические свойства и потенциал применения в медицинской практике композитных скаффолдов на основе полилактида и гидроксиапатита.

Скаффолды (каркасы) из полилактида с добавлением частиц гидроксиапатита, изготовленные методом электроформования, применяют для регенерации костной и хрящевой тканей. Гидроксиапатит близок по составу к минеральному компоненту кости, что усиливает биологическую активность материала и стимулирует образование новой костной ткани. Однако большое количество гидроксиапатита ухудшает механические свойства каркаса, а частицы, оказавшиеся внутри полимера, слабо взаимодействуют с клетками и биологическими жидкостями. Поэтому создание композитных материалов, сочетающих высокую биоактивность и механическую прочность, остается важной задачей.

«Целью данного исследования являлось изготовление композитных скаффолдов с микрочастицами гидроксиапатита. Использование микрочастиц позволило достичь высокой концентрации минеральной фазы в композите без его значительного охрупчивания, повысить механическую прочность и обеспечить выступание значительной части частиц гидроксиапатита над поверхностью полимерного скаффолда, способствуя биодоступности частиц», — рассказал руководитель проекта, и. о. руководителя лаборатории плазменных гибридных систем НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ Сергей Твердохлебов.

Ученые методом электроформования изготовили скаффолды на основе полилактида с различным содержанием частиц гидроксиапатита, включая образцы без добавления минеральной фазы. Затем, с использованием различных методов, проанализировали физико-химические, механические, биологические и остеогенные свойства образцов.

Проведенные исследования подтвердили, что предложенный подход позволяет изготовить композитные скаффолды с выступающими микрочастицами гидроксиапатита, обладающие высокими механическими свойствами. В результате добавления микрочастиц гидроксиапатита были получены композитные скаффолды с более высокой прочностью на разрыв и модулем Юнга, чем у скаффолдов только на основе полилактида.

«Добавление микрочастиц в полимерный раствор приводит к изменениям электропроводности и вязкости, а также к изменениям поведения полимерной струи во время электроформования. Улучшение механических свойств объясняется изменениями морфологии и кристалличности полимера — скаффолд только из полилактида является аморфным, а полученные композитные скаффолды — полукристаллические. Кроме того, композитные скаффолды состоят из более толстых, частично сплавленных между собой волокон, а значительная часть микрочастиц гидроксиапатита расположена на поверхности скаффолдов. При этом волокна скаффолдов, состоящие только из полилактида, тоньше и не сплавлены между собой», — объяснил один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ Арсалан Бадараев.

«Композитные скаффолды не обладают токсичностью по отношению к здоровым клеткам, и, что более важно, демонстрируют более выраженный остеогенный ответ, чем скаффолды из полилактида без добавления частиц гидроксиапатита и контрольный культуральный пластик», — добавил еще один участник исследования, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии и иммунологии НИИ онкологии Томского НИМЦ Михаил Булдаков.

Так, уровень экспрессии остеогенных маркеров остеокальцина и остеопонтина в мезенхимальных клетках на композитных скаффолдах был в 1,2-1,4 раза выше, чем на образцах только из полилактида, и в 7,1-7,9 раза и в 2,8-3,0 раза выше соответственно, чем на культуральном пластике.

На следующем этапе исследований авторы планируют оценить биосовместимость разработанных композитов в экспериментах на лабораторных животных.

По оценкам ученых, разработанные композитные скаффолды могут стать альтернативой классическим нетканым материалам для костной тканевой инженерии, а предложенный подход позволит создавать имплантаты для замещения костных дефектов, сокращать сроки лечения и реабилитации как у пациентов, страдающих онкологическими заболеваниями, так и у пациентов, получивших травму.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации