Имплантаты будут приживаться до 6 раз эффективней

Одним из самых широко используемых материалов для изготовления полимерных костных имплантатов является полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) — он прочен, устойчив к агрессивным химическим средам, износостоек, биосовместим. ПЭЭК применяют, в основном, в спинальной хирургии — для протезирования межпозвоночных дисков. Однако он также перспективен в качестве материала для изготовления имплантатов трубчатых и плоских костей. В этом случае требуется обеспечить прочное срастание ПЭЭК с костью пациента. Для этого необходима дополнительная обработка материала для создания пористой структуры, в которую прорастала бы костная ткань. Однако до настоящего времени ни один из применяемых методов (например, вспенивание газом или разделение фаз) не давал достаточной структурной схожести с натуральной костью.

Ученые из НИТУ «МИСиС» и НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи разработали комбинаторный подход к созданию имплантатов, включающий в себя изготовление пористого имплантата из ПЭЭК или ПЭЭК с добавлением гидроксилапатита — основного минерального компонента костной ткани, а также двух белков, эритропоэтина (EPO) и костного морфогенетического белка BMP-2.

«Вначале мы разбивали порошок гидроксиапатита в более мелкие частицы при помощи планетарной мельницы. Затем смешивали его с ПЭЭК и добавляли хлорид натрия, поваренную соль, причем с частицами сферической формы — не любая соль подойдет, так как кристаллы соли могут быть кубической формы, а это не соответствует естественной пористости кости. После термопрессования образцы отмывались для растворения соли. В результате получался материал с 80%-ой пористостью», — рассказывает один из основных авторов разработки, студент программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Александр Чубрик.

Для формирования структуры использовались кристаллы соли двух размеров — 106-200 микрометров и 40-75 микрометров. Первые позволили сформировать поры в материале, вторые — микрорельеф на их поверхности. Если поры нужны в большей степени для прорастания кровеносных сосудов и костной ткани, то микрорельеф способствует прикреплению к поверхности имплантата остеобластов — собственных клеток пациента, формирующих костную ткань.

«Для привлечения вместо установки имплантата остеобластов и индукции роста костной ткани мы насыщали образцы рекомбинантным белком BMP-2, полученным в нашей лаборатории. Добавление рекомбинантного эритропоэтина, также разработанного нами, должно было способствовать усиленному прорастанию сосудов и дополнительному росту костной ткани. Работа по получению материала и характеристике его свойств была выполнена в рамках проекта, финансируемого РНФ», — комментирует руководитель работы со стороны НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Анна Карягина, профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи.

В ходе дальнейших экспериментов образцы материала имплантировались в 4-милиметровый круглый дефект черепа у восьми групп лабораторных мышей. В каждой из групп образцы имели различный состав — чистый ПЭЭК, ПЭЭК без белков, ПЭЭК с разной концентрацией белков, те же варианты с добавлением ГАП. Девятая группа была контрольной — имплантат не вживлялся.

Как показал эксперимент, оптимальными являются комбинации из ПЭЭК (с гидроксилапатитом или без), EPO 3,5 микрограмма и BMP-2, также 3,5 микрограмма. Именно в этих группах удалось достичь максимального зарастания костного дефекта за 6 недель эксперимента. В целом, за счет введения рекомбинантных белков удалось повысить эффективность приживаемости имплантатов (что выражается в увеличении процентного содержания костной ткани) в 4 — 6 раз. Это позволит пациенту быстрее восстановиться после операции; кроме того, новая костная ткань на месте дефекта сможет выдерживать такие же механические нагрузки, как и до операции.

Ученые планируют продолжить работу над совершенствованием полимерных имплантационных материалов, в том числе, используя биорезорбируемые, то есть растворяющиеся со временем соединения.