Международная группа ученых из России, Италии и Румынии смогла синтезировать керамические материалы для костных имплантатов на основе фосфатов кальция, включающих ионы редкоземельного гадолиния. Полученные материалы продемонстрировали хорошую биосовместимость, отсутствие токсичности, способность стимулировать процессы регенерации костной ткани и подавлять рост болезнетворных микроорганизмов. Разработка будет востребована в ортопедической хирургии, стоматологии и биовизуализации процессов в организме.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 1,71 млрд человек в мире страдает от нарушений и болезней костно-мышечной системы. В связи с этим, растает спрос на синтетические материалы–заменители костей (металлы, полимеры, пористоуглеродные соединения, керамику), обладающие свойствами, близкими к тканям человека, и способностью сопротивляться механическим нагрузкам.
Ученые исследовали, как изменяются свойства керамических нанокомпозитов в зависимости от их способа синтеза. Для изготовления образца материала, в процессе синтеза фосфата кальция вводились ионы гадолиния. Для этого использовали два различных метода: компоненты осаждали из водных растворов солей или применяли механоактивацию (реакцию между реагентами проводили при воздействии механической нагрузки — для ускорения процесса). Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии авторы изучили изменение физико-химических, биологических и антибактериальных свойств материалов.
Было выявлено, что в зависимости от способа синтеза, керамика приобретала различную микроструктуру. В первом случае (при осаждении из водных растворов солей) размер зерен, из которых состоит материал, составил 1–50 мкм, размер пор 1–10 мкм, а прочность на изгиб около 30 МПа. Во втором случае (при механохимической активации) — размер зерна керамики составлял 0,4–1,4 мкм, размер пор 2 мкм, а прочность на изгиб — около 39 МПа.
Керамика, полученная методом механохимической активации, имела более однородную микроструктуру, что говорит о лучшей прочности материала, поскольку чем менее однороден материал, тем выше вероятность возникновения дефектов.
Антимикробная активность керамических материалов по отношению к четырем бактериям (патогенным и нашим симбиотическим) и одному грибку, опасному для людей со сниженным иммунитетом была протестирована. Оба материала, полученные разными методами, замедлили рост микроорганизмов на 30%. Для изучения жизнеспособности клеток человека на поверхности керамических материалов ученые использовали стволовые клетки пульпы зуба. Исследования доказали отсутствие токсических эффектов для всех приготовленных керамических материалов.
«Эксперименты in vitro подтвердили, что образцы, легированные гадолинием, независимо от способа синтеза демонстрируют хорошую биосовместимость, необходимую для керамических имплантатов, и в то же время проявляют антимикробные свойства», — рассказывает Инна Фадеева, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. Байкова РАН.
В научной работе, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) приняли участие специалисты: Московского Института металлургии и материаловедения им. Байкова РАН, Московского госуниверситета им. Ломоносова, Первого Московского государственного медуниверситета им. Сеченова, Пущинского Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Казанского федерального университета, Итальянского Экспериментального института зоопрофилактики, Итальянского Национального исследовательского совета и Политехнического университета Бухареста.
Результаты исследований были опубликованы в журнале Nanomaterials.
