Ученые ДВФУ разрабатывают биоматериалы для восстановления костных дефектов на основе керамики

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Тихоокеанского медицинского университета (ТГМУ Минздрава России) работают над созданием нового типа биоматериалов для костной инженерии, применяя современные технологические подходы.  На основе искрового плазменного спекания ученые собрали прототип биокомпозита в виде костно-керамического матрикса для восстановления крупных дефектов костей. Результаты исследования поддержаны комплексно в рамках программы «Приоритет 2030» ДВФУ и гранта Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Composites Science.

В медицине актуальна проблема совершенствования медицинских материалов для регенерации костных тканей человека. При сложных костных операциях до 50% имплантов не вживляются и отторгаются организмом человека. Поэтому ученые разрабатывают биоактивные биоматериалы, которые активизируют рост костной ткани в живом организме. Это снижает необходимость в последующих хирургических вмешательствах для удаления биоинрентных имплантатов и способствует естественному заживлению костных дефектов.

Ученые из Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ предложили новый тип биокомпозитной керамики, обладающей антибактериальными свойствами, которая обеспечивает активацию роста костной ткани и ее глубокое прорастание в имплантат.  В качестве эффективного способа формирования керамического каркаса из композитного биопорошка исследователи использовали технологию реакционного искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering-Reactive Synthesis, SPS-RS). Метод сочетает в себе процессы спекания биопорошка и реакционного синтеза основных химических компонентов в составе биокерамики, представляющих синтетический аналог натуральной костной ткани.

«Предложенный технологический подход дает относительно низкие температуры и короткие циклы синтеза и спекания керамики, что помогает предотвратить рост зерен, обеспечивает высокую плотность и механическую стабильность образцов, а также создает пористые структуры с заданными характеристиками. Использование технологии искрового плазменного спекания для изготовления биокерамики позволяет получить материал с повышенной плотностью, механической прочностью и микротвердостью, а также с определенным уровнем пористости, которая обладает необходимыми биосовместимыми свойствами и антибактериальной активностью. Это важно для эффективной связи между тканью кости и имплантатом, а также регенерации костной ткани при использовании данного импланта», — рассказал кандидат химических наук, заместитель директора по развитию Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Евгений Папынов.

Образцы нового биоматериала имплантировали в мягкие ткани грудной клетки лабораторного животного (новозеландского белого кролика) в области трапециевидной мышцы и широчайшей мышцы спины. За три месяца восстановительного периода у животного по результатам оценки реакции окружающих тканей отсутствовали специфические воспаления, некроз и опухолевые образования. Также ученые доказали, что образцы сохраняют высокую антибактериальную активность при контакте с самым распространенным возбудителем бактериальной инфекций. Это доказывает, что материал абсолютно не токсичен и обладает полной биосовместимостью с живым организмом. 

Эволюция биопленки Pseudomonas aeruginosa на поверхности керамики SPS-RS с течением времени

Отметим, что на предыдущем этапе ученые методом сверхбыстрого спекания синтезировали тип инертной биокерамики, который также показал высокую совместимость с костной тканью кролика. Исследователи отрабатывают различные химические составы биокомпозитных материалов, а также активно проводят широкий спектр биоиспытаний в сотрудничестве с коллегами из профильного медицинского университета ТГМУ Минздрава России (г. Владивосток), включая клинические испытания, для выявления лучших характеристик будущих имплантов, чтобы выйти на их клинические испытания с привлечением нуждающихся в терапии пациентов. 

Следующий шаг химиков — исследование нового состава на основе диоксида титана в составе с биоактивными компонентами роста костной ткани. Это позволит накопить научные обоснования эффективности наиболее распространенной линейки перспективных керамических материалов, которые в настоящий момент используются в костной инженерии.  По словам исследователей из ДВФУ, их биоматериал может быть представлен на рынке в ближайшие 5 лет по завершении цикла доклинических и клинических испытаний при поддержке профильных медицинских компаний. 

Создание новых биомедицинских материалов и изделий одна из главных задач стратегического проекта «Физика и материаловедение» программы развития ДВФУ «Приоритет 2030».

Напомним, в рамках программы «Приоритет 2030» ДВФУ реализуется пять стратегических проектов: «Мировой океан», «Науки о жизни», «Физика и материаловедение», «Центр цифрового развития», «Центр высокотехнологичного инжиниринга». Команды ученых концентрируют усилия на разработке отечественных технологий и продуктов, необходимых предприятиям отрасли в таких областях, как судо- и авиастроение, электроэнергетика, рыбная промышленность, добыча и обработка полезных ископаемых, биофармацевтика и медицина.