Исследовательская группа из Сколтеха и Сеченовского университета напечатала на 3D-принтере образцы пористого железокремниевого сплава — создатели считают этот материал перспективным для изготовления костных имплантатов, залечивающих переломы. Результаты исследования свидетельствуют о том, что полученные образцы малотоксичны, устойчивы, биоразлагаемы и могут образовывать костную ткань.
Работа опубликована в журнале Biomedical Materials. Для заживления серьезного перелома на место дефекта устанавливаются специальные имплантаты, которые способствуют регенерации кости. Она служит своеобразным скелетом, который постепенно прорастает сквозь костную ткань. В идеале к тому времени, когда имплант выполнит свою задачу, он должен раствориться в организме — тогда не потребуется хирургического вмешательства для его удаления. По словам его создателей, для этого подходит новый сплав железа и кремния.
Материалы для таких имплантатов должны отвечать ряду требований. Он должен быть таким же твердым, как кость, и пористым, чтобы освободить место для образования новой ткани. Кроме того, подходящий материал должен быть биосовместимым и биоразлагаемым. То есть, с одной стороны, он поглощается организмом больного, с другой стороны, растворяется естественным образом; но не слишком быстро для роста биологической кости. Кроме того, продукты разложения не должны быть токсичными.
— Часто используются сплавы железа, потому что этот металл не воспринимает тело как чужеродный и разлагается примерно за это время; но чистое железо слишком мягкое. Наша команда материаловедов уже работала со сплавами железа и кремния, и мы подумали, что стоит рассмотреть их в связи с имплантатами, потому что известно, что кремний также является биосовместимым, нетоксичным, хорошо усваивается и выводится организмом, — говорится в сообщении. первая Юлия Бондарева, автор исследования, младший научный сотрудник Скольтов.
— Мы изготовили пористые образцы из сплава железо-кремний на порошковом 3D-принтере. Отпечатанные образцы имели любой дизайн, пригодный для всестороннего изучения их механических и биологических свойств. В дальнейшем планируется изготовление образцов имплантатов анатомической формы для исследований непосредственно в организме животных, — пояснил руководитель исследования Станислав Евлашин.
Команда изучила механические свойства сплава, чтобы проверить, насколько хорошо образцы противостоят давлению и растяжению по сравнению с чистым железом и другими сплавами железа, популярными в имплантологии. Оказалось, что новый сплав превосходит рассмотренные аналоги.
— Кроме того, мы показали, что имплантаты, изготовленные из него, действительно ломают организм в нужный момент, — добавила Бондарева.
— Кроме того, мы картировали элементный состав образцов, — продолжил Евлашин. — Порошок, который подается в 3D-принтер, содержит железо и кремний в определенном соотношении, кроме того, при высоких температурах лазерной печати всегда в определенной степени происходит окисление. Чтобы не менять механические свойства от одного участка образца к другому, мы подтвердили, что соотношение между двумя основными элементами — а также кислородом — является правильным и постоянным по всему образцу.
Синтез материалов и проверка механических свойств проводились в Сколтехе, затем образцы были отправлены в Сеченовский университет, где их тестировали с живыми клетками в физиологическом растворе. Мышиные фибробласты и клетки, полученные из пуповины человека, показали хорошую адгезию, то есть они прочно прикрепились к каркасу из сплава. С помощью микроскопа было подтверждено, что выжило примерно 70 процентов клеток, что свидетельствует об относительно легкой токсичности материала — она связана с образованием гидроксида и хлорида железа при разложении. Важно отметить, что на образце наблюдалось отложение фосфата кальция, что означает, что кость будет расти на имплантате.
Наряду с железосодержащими материалами в качестве материалов для биоразлагаемых имплантатов изучаются магниево-цинковые сплавы. Однако из-за различий в свойствах можно ожидать, что они не заполнят точно такой же пробел, как их аналоги на основе железа. Это может быть особенно полезно для ортопедии и травматологии, где свойства нового сплава железа и кремния будут особенно ценными.
Один из авторов исследования Анастасия Шпицкая, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета и МГУ, сказала:
— Подобные материалы особенно востребованы у травматологов-ортопедов. Имплантат из железо-кремниевого сплава может иметь механические свойства, сравнимые с коммерческими аналогами, но способен к резорбции. На месте имплантата постепенно сформируется новая ткань, которая заменит имплантат, и наступит момент, когда ее не станет.
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен