Ученые Института физики Казанского федерального университета совместно с российскими, итальянскими и румынскими коллегами синтезировали керамические материалы для костных имплантатов на основе фосфатов кальция, включающие ионы редкоземельного гадолиния. Применение разработки будет востребовано в ортопедической хирургии и стоматологии. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

В проекте приняли участие ученые из Института металлургии и материаловедения имени А.А.Байкова РАН (Москва), Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (Москва), Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М.Сеченова (Москва), Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), Казанского федерального университета (Казань) с коллегами из Экспериментального института зоопрофилактики по областям Лацио и Тоскана (Италия), Национального исследовательского совета (Италия) и Политехнического университета Бухареста (Румыния). От КФУ в проекте задействованы четыре представителя. Двое из них, внесших наибольший вклад в проект, указаны в статье в качестве соавторов. Среди них – ассистент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики Казанского федерального университета Фадис Мурзаханов.

Как рассказал Центру медиакоммуникаций КФУ Мурзаханов, за основу синтетических костных имплантатов обычно берут соединения фосфата кальция, так как они аналогичны тем, которые есть в организме человека. Катионы редкоземельного элемента гадолиния (Gd3+) часто используются в синтетических материалах на основе керамики, особенно в качестве покрытий, потому что они характеризуются высокой химической стабильностью, увеличивают биосовместимость наночастиц в составе покрытия и снижают возможную токсичность препаратов.

Суть проекта, по словам ученого КФУ, состоит в модернизации керамических материалов, которые являются основой для костных имплантатов. Совершенствование медицины заставляет постоянно улучшать различные свойства материалов, из которых изготавливаются имплантаты, в частности, антибактериальные свойства, термическую стойкость (при отжиге керамика не должна разрушаться) и др.

«Фишкой» полученного материала с ионами гадолиния можно считать возможность лучше отследить приживаемость имплантата, пояснил Мурзаханов.

«Гадолиний играет роль внутреннего контрастного агента. Он нужен для того, чтобы приживаемость имплантата можно было более эффективно отслеживать с помощью МРТ и КТ. Ионы марганца, алюминия, железа улучшают свойства имплантата, но мы не можем точно понять, как он приживается. Именно через гадолиний мы можем отслеживать стадии заживления, выяснить, идет ли отторжение и т.д. Таким образом, гадолиний улучшает способ получения визуализации – значительно улучшает качество изображения на МРТ-снимках. При этом внедрение гадолиния не привело к образованию токсичности и не нарушило биосовместимость материала – все биологические свойства сохранились», – сообщил он.

Основной вклад ученых Казанского университета в этом проекте состоит в анализе структуры полученного образца.

«Ученые Института физики КФУ исследовали структуру трикальцийфосфата. В образец мы внедряли редкоземельный ион гадолиния и исследовали, встроился ли он в структуру и как он влияет на другие ионы, в частности и на кристаллическую структуру материала в целом, – рассказал Мурзаханов. – После того как коллеги-химики синтезировали материал, мы подтвердили, что ион занял одну из позиций кальция в структуре образца, а также отсутствие других побочных фаз, что свидетельствует о чистоте материала».

По словам ученого Казанского университета, ионы гадолиния удачно внедрились в трикальцийфосфат.

«Это была довольно сложная процедура, учитывая, что ион гадолиния трехвалентный и при этом занимает позицию двухвалентного кальция. Была вероятность, что он не войдет в структуру. Но мы показали, что он внедрился в структуру и побочных фаз не образовалось», – разъяснил он.

В работе ученые КФУ использовали метод электронного парамагнитного резонанса в импульсном режиме. Также проводился двумерный эксперимент для исследования слабых электронно-ядерных взаимодействий.

Актуальность темы, поднятой учеными, подтверждают данные Всемирной организации здравоохранения. Примерно 1,71 миллиарда человек в мире страдают от нарушений и болезней костно-мышечной системы. Нарушения и болезни костно-мышечной системы также занимают ведущее место среди факторов инвалидности в мире. Мурзаханов рассказал, что работа по совершенствованию свойств имплантатов продолжается: проводятся эксперименты с внедрением нескольких ионов, в том числе марганца, железа, стронция. Кроме того, существуют перспективы создания бифазного материала для улучшения контроля за скоростью рассасывания (т.н. биорезорбции) имплантатов.

«У нас уже есть база с исследованием материалов с одной примесью. Теперь же на основе наших результатов мы исследуем новые образцы с несколькими примесями. Это приводит к новым интересным свойствам материалов – одни примесные ионы усиливают антибактериальный эффект, другие ионы повышают термостабильность и т.д. Многое также зависит от концентрации данных примесей. Кроме того, существует перспектива не только внедрения различных ионов в один материал, но и объединения нескольких материалов в бифазный материал. Среди возможных вариантов – сочетание трикальцийфосфата и гидроксиапатита, что позволит контролировать скорость рассасывания имплантатов. Материалы на основе фосфатов кальция растворяются в организме и заменяются человеческой костной тканью, – резюмировал собеседник. – Постепенно на замену имплантатов приходит человеческая костная ткань. Но важно контролировать скорость, чтобы материал имплантата рассасывался не быстрее, чем срастается кость, а срастание кости не должно опережать рассасывание. В идеале – добиться такого материала для имплантата, чтобы не было его отторжения и чтобы он имел пористую структуру, что активизирует заживление. Важно, чтобы имплантат стимулировал рост кости, заживление и происходила бы плавная замена имплантата костной тканью».