Новое покрытие может улучшить сцепление эндопротезов с костью
Сломанные кости и эндопротезы суставов в будущем могут заживать быстрее благодаря необычному покрытию для медицинских имплантатов, разрабатываемому в Университете штата Огайо.
Исследователи обнаружили, что костные клетки растут и размножаются быстрее на текстурированной поверхности, чем на гладкой, — и лучше всего они растут, когда могут цепляться за микроскопический «ковёр» из нанопроволок оксида металла.
В тестах проволоки увеличили рост клеток почти на 80% по сравнению с другими поверхностями, что указывает на то, что такое покрытие поможет здоровой кости быстрее сформировать прочную связь с имплантатом.
Инженеры разработали экономичную технологию создания этих проволок, которую описали в статье в июльском номере 2013 года журнала Ceramics International.
«По-настоящему захватывающе в этой технологии то, что нам не нужно вырезать нанопроволоки из цельного куска металла или сплава. Мы можем выращивать их с нуля, используя физику и химию материалов», — сказал профессор материаловедения и инженерии Шейх Акбар. «Поэтому мы называем наш процесс "наноконструкциями по дизайну материалов"».
Команде Акбара удалось вырастить проволоки, точно настроив смесь материалов и газов внутри печи. При температуре около 1300 градусов по Фаренгейту тонкие нити диоксида титана поднялись с гладкой титановой поверхности. Каждая была в десятки тысяч раз меньше человеческого волоса.
Но затем произошло нечто необычное, что инженеры не могли объяснить. Каждая проволока обросла защитным покрытием из оксида алюминия — как слой коры вокруг ствола дерева. Рост покрытия был бы логичен, если бы материал в печи был титановым сплавом, содержащим алюминий. Однако в данном случае исследователи работали с чистым титаном, поэтому неясно, как проволоки обросли алюминиевым покрытием.
«Странно, что мы не до конца понимаем, почему этот процесс работает именно так. Нам придётся провести сложную микроскопию, чтобы это выяснить, но мы точно знаем, что проволоки образуются только при строго определённых условиях», — отметил Акбар.
В тестах исследователи выращивали клетки рака кости на трёх разных поверхностях: гладком титане, гладком диоксиде титана и «ковре» из нанопроволок. (Они выбрали раковые клетки, потому что они особенно выносливы и размножаются так же, как здоровые костные клетки.)
Наибольшая разница в росте клеток наблюдалась в первые 15 часов тестирования, когда исследователи зафиксировали на 20% более высокую концентрацию фермента щелочной фосфатазы (маркера роста кости), производимого клетками на нанопроволоках. К концу исследования на поверхности с нанопроволоками было около 90 000 клеток на квадратный сантиметр — на 80% больше, чем 50 000 клеток на квадратный сантиметр на каждой из двух других поверхностей.
Соавтор исследования, доцент биомедицинской инженерии и материаловедения Дерек Хэнсфорд, заявил, что такое покрытие может помочь людям с эндопротезами тазобедренного и коленного суставов, зубными имплантатами или переломами, требующими для ремонта винтов и пластин.
«Мы надеемся, что эта обработка поверхности станет простой в реализации модификацией титановых имплантатов, которая поможет им сформировать более прочное соединение с окружающей костной тканью. Более прочное соединение означает, что имплантаты и кости смогут лучше распределять механические нагрузки, и мы сможем лучше сохранить здоровую кость и мягкие ткани вокруг места имплантации», — сказал Хэнсфорд.
Акбар считает, что цена подходит для коммерческой разработки. Металлической фольги на $100 хватает для изготовления сотен образцов.
Метод выращивания проволок также чрезвычайно прост. Помимо установки правильной смеси материалов и газов, он практически сводится к нажатию кнопки для включения лабораторной печи.
«Серьёзно, если бы вы провели день в моей лаборатории, вы бы сами научились это делать», — сказал Акбар.
Он и его команда сейчас исследуют другие комбинации материалов и газов для создания наноразмерных структур различной формы для роста клеток и химического зондирования.