Исследователи Южного федерального университета (ЮФУ) создали основу для «умных» имплантатов, способных постепенно превращаться в настоящую костную ткань. Об этом 13 октября сообщил пресс-центр университета.
Основным компонентом разработки стал минерал брушит — фосфат кальция, который по химическому составу близок к природным минералам костной ткани. Учёным удалось научиться управлять его превращением в гидроксиапатит — основной неорганический компонент костей и зубов, составляющий до 70% их массы. Этот процесс запускается при введении имплантата в организм и происходит за счёт особой комбинации двух добавок: карбоната кальция и белков, в частности — яичного альбумина. Вместе они создают каталитический эффект, ускоряющий растворение брушита и одновременно способствующий формированию прочных кристаллов гидроксиапатита, идентичных природным.
Эксперименты проводились с использованием пастообразных композитов, которые помещали в три среды: дистиллированную воду, физиологический раствор и жидкость, имитирующую состав внеклеточной среды организма. Наиболее активное превращение наблюдалось именно в биологически релевантных условиях. Механизм этого превращения объясняется эффектом Ребиндера — явлением, при котором поверхностно-активные вещества изменяют прочность и структуру твёрдых тел. Благодаря этому эффекту учёные могут не только контролировать скорость роста новой ткани, но и задавать форму, размер и плотность кристаллов гидроксиапатита — параметры, напрямую влияющие на прочность будущей кости.
Однако в реальности биосовместимость — не синоним приживаемости. Даже если имплантат не вызывает иммунной реакции, он должен ещё и механически выдерживать нагрузки, интегрироваться в костный метаболизм и не препятствовать ремоделированию — естественной «перестройке» кости. Поведение материала исследовалось только в модельных средах, поэтому ключевые факторы живого организма: воспаление, инфекция, кровоток, ремоделирование кости — не учитывались. Единый состав имплантата может по-разному вести себя у разных людей. Для надёжного результата потребуется адаптация под конкретного пациента — по возрасту, состоянию костной ткани, метаболизму, сопутствующим заболеваниям.
Кроме того, процесс превращения брушита в гидроксиапатит запускается после имплантации. Это означает, что учёные не могут напрямую управлять ходом реакции после установки имплантата, а скорость и равномерность кристаллизации зависят от локальной биохимической среды, которая варьируется даже в пределах одного организма. Если превращение идёт слишком медленно — имплантат не интегрируется, если слишком быстро — теряется механическая опора до формирования новой кости. Чем «умнее» имплантат, тем сложнее его регулировать. Контроль над скоростью превращения, равномерностью кристаллизации и биодеградацией требует систем мониторинга в реальном времени — чего современные материалы пока не умеют.
«Гидроксиапатит уже широко применяется в протезировании, но композиты с ним имеют ряд технических недостатков. Сейчас команда ЮФУ переходит к следующему этапу — доклиническим испытаниям, которые направлены на оценку эффективности, биосовместимости и безопасности нового материала» — признаётся доцент кафедры общей и неорганической химии ЮФУ Елизавета Муханова.
Проект реализуется в рамках стратегической программы «Приоритет-2030», которая занимается развитием разработки стратегически важных материалов для решения глобальных задач в медицине и промышленности. В перспективе разработка может лечь в основу персонализированной медицины, позволяя создавать имплантаты, «подстраивающиеся» под конкретного человека. Такая технология может полностью решить проблему отторжения имплантатов и даже заменить донорские ткани.
