За нами не заржавеет: ученые предложили новый способ повысить коррозионную стойкость костных имплантатов

Ученые из Индийского института технологий и Центрального электрохимического научно-исследовательского института в Карайкуди в сотрудничестве со специалистами НИТУ «МИСиС» предложили метод повышения биосовместимости и коррозионной стойкости костных и зубных имплантатов с помощью нанокомпозитного материала на основе нитрида титана и бора. Работы проводились в рамках совместного проекта по разработке биоактивных и бактерицидных покрытий c улучшенной интеграцией в костную ткань и способностью подавлять инфекцию. Исследование поддержано РФФИ и Департаментом науки и технологии Правительства Индии. Результаты опубликованы в журнале Surface and Coatings Technology.

Сегодня при изготовлении суставных протезов, костных и зубных имплантатов применяются преимущественно такие материалы, как титан и нержавеющая сталь –устойчивость к коррозии и относительная дешевизна обеспечили им широкое применение как в ортопедических, так и ортодонтических имплантатах. Благодаря своей жесткости и прочности эти материалы широко используются при имплантации тазобедренных и коленных суставов. Тем не менее, несмотря на все преимущества металлических имплантатов, по мере их износа, в результате трения о кость, образуются «отходы», которые при взаимодействии с прилежащими тканями могут вызывать иммунологические реакции вплоть до отторжения имплантата. Температура человеческого тела и присутствие физиологических жидкостей, в свою очередь, являются фактором риска возникновения коррозии.

Еще одной распространенной проблемой, связанной с использованием металлических имплантатов, является так называемое экранирование стресса – снижение плотности кости в результате снятия типичного напряжения с кости имплантатом.

Решить эту проблему возможно с помощью модификации поверхности имплантата. Одним из наиболее перспективных кандидатов на роль модификатора является нитрид титана, так как его отличает химическая стабильность, низкий коэффициент трения, высокая сопротивляемость коррозии и совместимость с живыми тканями. Однако при этом данное соединение обладает плохой адгезией (сцеплением) с металлами, улучшить которую можно за счет включения в состав третьего, неметаллического компонента, такого как бор. Бор и его производные известны своей способностью стимулировать биологическую активность, в т.ч. заживление ран, выделение цитокина и факторов роста – молекул, играющих важную роль в процессе имплантации, а также обновление внеклеточных структур ткани.

В своем исследовании ученые нанесли тонкую пленку композита на основе нитрида титания и бора на поверхность образца из нержавеющей стали методом магнетронного распыления – технологии, широко применяющейся для напыления металлических соединений на подложку. В ходе испытаний на устойчивость к коррозии, а также цитотоксичность, гемосовместимость и способность к минерализации, покрытые композитом металлические образцы продемонстрировали высокую совместимость с живыми тканями и устойчивость к коррозии, что открывает возможности для использования соединения нитрида натрия и бора в качестве защитного покрытия для металлических имплантатов.

Ранее в рамках гранта РФФИ и Департамента науки и технологии Правительства Индии российско-индийская научная группа под руководством исследователей НИТУ «МИСиС» разработала биоактивное покрытие для титановых имплантатов, способное полностью уничтожать бактерии. Его особая пористая структура с биоактивными компонентами в составе ускорит приживаемость имплантата, а комбинаторное действие активных форм кислорода и ионов серебра обеспечит эффективное уничтожение различных штаммов бактерий.

Работы по проекту, получившему поддержку российских и индийских властей, ведутся в двух основных направлениях. Основной задачей российской научной группы является получение пористых покрытий на основе оксида титана, легированного кальцием и фосфором, методами плазменного электролитического окисления (ПЭО) и последующей модификации их поверхности для одновременного придания покрытиям биоактивности и бактерицидности. Индийская сторона занимается получением пористых наноструктурированныч двухслойных покрытий, состоящих из слоев биокерамики и нитрида титана и бора на ортопедических винтах и пластинах.