Химики СПбГУ создали биосовместимое нанопокрытие из оксидов титана и цинка для имплантов

Один из важнейших вызовов для ученых при разработке современных имплантов — создание биосовместимого и при этом быстро и надежно интегрируемого в тело металлического объекта. На данный момент все еще высок процент отторжения металлических имплантов из‑за бактериального загрязнения поверхности материала и образования бактериальной биопленки в теле человека. При этом использование различных антибиотиков и активных бактерицидных материалов или покрытий в ряде случаев невозможно из-за возникающего негативного клеточного отклика организма (или цитотоксичности).

Кроме того, многие металлические материалы медицинских имплантов недостаточно стабильны при длительном функционировании из‑за биокоррозии, развитие которой приводит к преждевременной потере необходимых механических характеристик или избыточному растворению материала импланта и негативным последствиям для организма.

Ученые Санкт-Петербургского университета предложили решить данную проблему с помощью нанопокрытий на основе химически стабильного и биосовместимого оксида титана и оксида цинка, обладающего антибактериальными свойствами. В качестве материала, на который целесообразно нанести такое покрытие, химики использовали нитинол. Нитинол представляет собой сплав титана и никеля и обладает эффектом памяти формы: при нагревании материал всегда возвращается в исходную форму, независимо от того, как сильно он был деформирован.

«Результаты исследований показали, что правильный подбор соотношения данных оксидов позволяет успешно комбинировать антибактериальные и антикоррозионные свойства с высокой степенью биосовместимости по отношению к остеобластоподобным и мезенхимальным стволовым клеткам человека», — сказал первый автор исследования и руководитель гранта, старший научный сотрудник кафедры химии твердого тела СПбГУ Денис Назаров.

Схема работы нанопокрытия. Иллюстрация предоставлена Денисом Назаровым

По его словам, для получения качественных покрытий важно выбрать правильный метод их синтеза, который позволит регулировать состав покрытий с высокой точностью и в широком диапазоне. Кроме того, для потенциального массового использования в будущем этот метод должен быть масштабируем, при этом важно учитывать, что импланты могут иметь разнообразную и сложную форму, а их поверхность может быть очень шероховатой и даже пористой. В связи с этим метод получения должен позволять наносить покрытия на всю поверхность, желательно с максимальной равномерностью и однородностью. С учетом данных требований химики СПбГУ решили использовать метод атомно‑слоевого осаждения (АСО), также известный как молекулярное наслаивание. Этот метод основан на проведении химических реакций между газообразными реагентами и поверхностью подложки.

В данном случае в качестве подложек-имплантов использовались цилиндры и диски из полученного методом 3D-печати нитинола. Сначала поверхность подложки-импланта обрабатывается парами титан- и цинксодержащих реагентов, затем избыток реагентов и продукты химической реакции удаляются, после чего поверхность обрабатывается парами воды, а затем удаляется ее избыток. В результате на поверхности образуется слой покрытия, не превышающий по толщине нескольких десятых нанометра. При этом процесс можно повторять многократно и наращивать покрытие необходимой толщины.

«Благодаря тому, что получение покрытий основано на циклических процессах, можно получать покрытия изначально заданной толщины, меняя количество циклов, а варьируя тип и количество напусков химических реагентов, можно регулировать состав покрытий», — сказал Денис Назаров.

Для оценки взаимодействия имплантов с различными способами обработки их поверхности с костной тканью ученые использовали клеточную линию остеосаркомы человека (MG-63) и мезенхимные клетки костного мозга эмбриона (FetMSC). Клеточные линии были получены в центре коллективного пользования «Коллекции культур клеток позвоночных» Института цитологии РАН.

«В результате проведенного нами скрининга было выбрано несколько наиболее оптимальных вариантов обработки поверхности имплантов, которые обладали хорошими адгезивными свойствами, не вызывали цитотоксического эффекта и дополнительно оказывали остеоиндуктивное действие на клетки MG-63, что представляется крайне важным для успешной интеграции имплантов в костную ткань», — рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории клеточных биотехнологий Института цитологии РАН Наталия Юдинцева.

Основная часть работы была выполнена в ресурсном центре «Инновационные технологии композитных наноматериалов» Научного парка СПбГУ в рамках гранта Российского научного фонда «Разработка научных основ регулирования биокоррозии нитинола и биодеградации магниевых сплавов путем варьирования состава и структуры оксидных наноламинатов, синтезированных методом атомно‑слоевого осаждения». Для исследования имплантов использовалось оборудование ресурсных центров «Физические методы исследования поверхности», «Развитие молекулярных и клеточных технологий», «Рентгенодифракционные методы исследования» и междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ. В работе также приняли участие ученые Института цитологии РАН, Санкт‑Петербургского НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Сегодня исследования по этой теме продолжаются в рамках гранта РНФ «Разработка научных основ регулирования биокоррозии и биосовместимости магниевых сплавов путем нанесения мультифункциональных оксидных покрытий методом атомно-слоевого осаждения».