С ПРИЦЕЛОМ НА ПРОРЫВ

Одна из актуальных задач современной травматологии — эффективная интеграция имплантата в костную ткань — пока до конца не решена. К материалам, которые используются для имплантации, предъявляются очень высокие требования: они должны обладать биологической инертностью, механической прочностью, рассчитанной на долгий срок работы в организме, устойчивостью к высокотемпературной стерилизации. В качестве нерассасывающихся имплантатов обычно применяют титановые сплавы, обладающие высокой прочностью. Однако они могут быть токсичными из-за присутствия в их составе ионов никеля, кобальта, алюминия, хрома и вызывать аллергические реакции. Поэтому так актуален поиск материала, который максимально удовлетворял бы требованиям травматологов.

— В ИВТЭ и раньше создавались керамические материалы на основе оксида циркония для изготовления остезамещающих имплантатов и компонентов эндопротезов тазобедренного, коленного и других суставов,— отметила ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах, доктор химических наук Наталия Тарасова.— Циркониевая керамика обладает высокой коррозионной и эрозионной стойкостью, износостойкостью, она биологически инертна и нетоксична. Но для получения материала с оптимальными характеристиками нужно модифицировать химический состав и структуру оксида циркония. Мы впервые предложили использовать сложный оксид — цирконат лантана. Выбор этого соединения обусловлен тем, что его кристаллическая решетка позволяет производить различного рода замещения, в том числе ионами кальция и стронция, благодаря чему можно улучшить функциональные свойства материала. 

В процессе вживления имплантата в костную ткань возможно высвобождение катионов лантана, кальция и стронция, что окажет благоприятное действие на процесс ремоделирования кости. Происходить это может за счет выделения остеопонтина (внеклеточного структурного белка и органического компонента костной ткани). Он способен связываться с гидроксиапатитом — основной минеральной составляющей кости, участвовать в ее формировании и способствовать прикреплению и размножению клеток на поверхности имплантата.

Разработанные материалы тестируются в департаменте биологии и фундаментальной медицины УрФУ. Изучением взаимодействия циркониевой керамики с клеточными культурами in vitro занимается кандидат биологических наук Мария Улитко.

Первичные результаты наших совместных исследований обнадеживают, но пока остается неясным влияние природы металла-допанта (кальция или стронция) на процессы остеоинтеграции. В частности, не установлена степень биомеханического соответствия имплантата и костной ткани, не изучена возможность ионного обмена между ними. Нет данных по маркерам костного ремоделирования в эксперименте. Поэтому предложенный подход требует дальнейших исследований в области химического материаловедения.

О перспективах разработки персонифицированных имплантатов на основе циркониевой керамики рассказала руководитель проекта РНФ, заведующая кафедрой травматологии и ортопедии Уральского государственного медицинского университета, профессор, доктор медицинских наук Елена Волокитина:

— Необходимость в возмещении дефектов костной ткани возникает при многих заболеваниях опорно-двигательного аппарата, например, при возрастных поражениях суставов, у онкологических больных и, конечно же, при травмах. Лучше всего для этого подходит собственная костная ткань пациента, которую берут из костей таза, мыщелков бедренной или большеберцовой кости. Но такое дополнительное хирургическое вмешательство — лишняя травма для организма, поэтому чаще приходится использовать чужеродные материалы. Сегодня традиционный материал для замещения костного вещества — титановый сплав. Он очень прочен, однако не всегда живая ткань может прирасти к нему, и в силу большей плотности титан начинает подминать кость, сдвигает и расшатывает всю ортопедическую конструкцию. Именно поэтому так важен поиск новых костнопластических материалов, которые по своей плотности и другим параметрам были бы аналогичны или близки костной ткани. Причем детальное изучение костного вещества животных и человека показывает, что для различных сегментов скелета нужны материалы с различными физическими свойствами. Более того, характеристики материала должны варьироваться и в зависимости от возраста пациента. 

В этом смысле циркониевая керамика — весьма перспективный вариант. Это материал прочный и при этом пористый, благодаря чему костная ткань может хорошо врастать в его поверхность. Если удастся разработать линейку имплантатов с разной пористостью, то мы сможем прицельно подбирать материал для замещения конкретного костного дефекта, разрабатывать персонифицированные имплантаты. 

В ближайшее время планируется проверить цирконат лантана на отсутствие токсических свойств и способность поддерживать врастание в него костных клеток. Имплантат будем внедрять для замещения диафизарного дефекта бедренной кости морских свинок, чтобы определить остеоинтегративные возможности новой керамики и изучить влияние керамической конструкции на организм животного. При положительном результате можно будет планировать клинические испытания.

По словам Наталии Тарасовой, комплексный междисциплинарный подход к решению проблемы послужит не только накоплению фундаментальных знаний в области ремоделирования костной ткани, но и позволит совершить прорыв в создании новых высокотехнологичных и высокоэффективных материалов для тканевой инженерии.