Студенты создают «идеальный» костный растворяющийся полимер

23 июля 2020 г., Москва — Команда студентов НИТУ «МИСиС» представила проект по разработке саморастворяющегося материала для костной имплантации. Комбинация лучших свойств различных полимеров в сочетании с минеральной добавкой позволит создавать имплантаты, принимающих на себя нагрузку и позволяющих активно расти собственной кости пациента. Выполнив свою функцию, материалы будут постепенно и без побочных эффектов растворяться в организме. Разработка поддержана благотворительным фондом «Искусство, наука, спорт», в рамках студенческого научного конкурса «ТурНИР».

В настоящее время для замещения костных дефектов используется три типа материалов: металлы, керамика и полимеры. При этом металлы склонны принимать на себя слишком много нагрузки, что ведет к охрупчиванию кости, а керамика сама по себе довольно хрупкая и дорогая. Полимеры – оптимальный вариант: они ближе всего к натуральной кости по твердости и прочностным характеристикам. Кроме того, их структуру можно модифицировать – например, формировать поры, как в средней части настоящей кости.

Однако любое инородное тело, даже биосовместимый полимер, в любом случае остается инородным для человеческого организма. В случае небольших костных дефектов идеальным был бы имплантат, постепенно растворяющийся и уступающий место новой растущей кости – по аналогии с саморассасывающимися шовными материалами. Разработкой именно таких материалов для имплантатов – полимерных и биорезорбируемых – занимается команда студентов НИТУ «МИСиС».

За основу молодые ученые взяли два полимера из группы полигидроксиалкоанатов – полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ). Эти материалы выращивают с использованием бактерий, и еще несколько лет назад такое производство было крайне дорогостоящим. На сегодняшний день технологии усовершенствовались, материалы подешевели, и они стали расцениваться как крайне перспективные для имплантации.

Совместив достоинства ПГБ и ПГВ, исследователи планируют получить «идеальный» полимер. ПГБ прочный, твердый, но довольно хрупкий, то есть он выдерживает высокие давления, его трудно поцарапать, но при этом легко сломать пополам. ПГВ очень эластичный, но непрочный, не выдерживает длительные высокие нагрузки.

«Наша задача – провести некую селекцию лучших свойств обоих полимеров, – комментирует один из разработчиков, студент 2-го курса программы iPhD «Биоматериаловедение» и сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» Александр Чубрик. – Мы подготавливаем смеси порошков различного состава, изготавливаем образцы методом термопрессования и 3D-печати, и затем измеряем важные для нас характеристики».

Для имитации структуры кости в смесь добавляется сферическая пищевая соль – ее кристаллы практически идентичны по размеру костным порам. Затем соль без труда удаляется вымачиванием.

Последний, но не менее важный компонент – гидроксиапатит – минерал, из которого на 50-70% состоит натуральная кость. Этот минерал также добавляется в смесь порошков – чтобы остеобласты (костные клетки) «чувствовали» себя комфортнее и быстрее размножались внутри имплантата.

Таким образом, команда создаст образцы биосовместимых полимерных костных имплантатов, которые будут растворяться со временем, уступая место новой натуральной кости. Первые результаты работ планируется представить через год.