Стерильный и прочный

Образец углеродно-композиционного материала Углекон-МЯ. Фото: пресс-служба ПНИПУ

В последнее время при проектировании эндопротезов и имплантатов применяют углеродные композиционные материалы. Они безопасны и биологически хорошо совместимы с тканями человека. По статистике, риск возможных инфекционных осложнений после хирургического вмешательства составляет около 5%, что негативно сказывается на качестве лечения. Поэтому для внедрения в клиническую практику новых композиционных материалов необходимо подобрать способ их эффективной стерилизации. При этом важно сохранить прочность материала. Ученые ПНИПУ подобрали режим радиационного обеззараживания нового углеродного материала «Углекон-МЯ», при котором достигается 100% очищение имплантата от патогенных микроорганизмов, и при этом практически не снижаются прочностные характеристики материала.

Деформации и переломы позвоночника, рак, травмы, врожденные аномалии могут стать причиной образования крупных костных дефектов. Чтобы восстановить целостность архитектуры патологически измененной костной ткани, выявленное нарушение замещают имплантатом. Так сокращаются сроки реабилитации пациента, и восстанавливается его полноценная жизнь.

Углеком-МЯ – это перспективный углеродный композиционный материал с высокопористой мелкоячеистой структурой. Он прочен, биосовместим и безопасен для человека, не вызывает аутоиммунные и аллергические реакции. Кость прорастает внутрь имплантата, и это обеспечивает его надежную интеграцию с окружающими тканями. Для серийного применения нового материала в лечебной практике важно изучить все аспекты его правильного использования. В том числе подобрать способ очищения от патогенных микроорганизмов, чтобы не допустить инфекционных осложнений.

В медицине качество стерилизации имеет серьезное значение. Особенно это относится и к имплантатам, так как они непосредственно взаимодействуют с тканями организма. Для каждого материала подбирают свой наиболее эффективный способ обеззараживания. Стерильность имплантатов, как правило, достигается путем обработки материала сухим жаром или специальными растворами и газами. Для Углеком-МЯ данные способы малоэффективны, поскольку, не могут гарантировать 100% стерильность внутренней поверхности пор.

– Обеззараживание радиацией остается практически единственным эффективным способом для имплантатов из высокопористого углерода. Она обеспечивает полное уничтожение микроорганизмов, однако при этом нужно подобрать такую дозу облучения, которая не окажет значительного влияния на механические свойства материала. Это особенно важно для имплантатов, используемых для заполнения объемных костных полостей в опорных сегментах скелета, например, в бедренной кости. Они испытывают серьезные эксплуатационные нагрузки, поэтому стерилизация не должна снизить прочность материала. Мы изучили, как влияет та или иная доза радиации на стерильность Углеком-МЯ и при этом экспериментально оценивали его механические свойства, – поделился кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Владимир Онискив.

Для эксперимента ученые изготовили 12 образцов Углеком-МЯ в виде сдвоенных пластин и заразили их различными штаммами бактерий, которые широко распространены в природе и продуктах питания. Один зараженный образец не подвергался радиации, остальные облучались дозами от 2.5 до 10 Мрад.

В итоге рост микроорганизмов зафиксирован только в контрольном необлученном образце. На остальных размножения бактерий не произошло. Это говорит о том, что исследованные дозы радиационного воздействия гамма-облучением, в том числе и минимальная, обладают бактерицидным эффектом и на 100% стерилизуют углеродный имплантат. Испытания механических свойств образцов показали, что дозы выше 2.5 Мрад приводят к радиационной деструкции, из-за чего прочность материала снижается на 12%.

– В ходе проведенного исследования, мы установили, что облучение в дозе 2.5 Мрад полностью стерилизует рассматриваемый материал, и повышать радиационное воздействие нет необходимости. Использование доз меньше этого значения нецелесообразно, так как в природе могут встречаться более устойчивые штаммы бактерий, чем выбранные нами, – объясняет Владимир Онискив.

Ученые Пермского Политеха определили допустимую норму гамма-облучения, которая обеспечивает требуемый уровень стерильности и не снижает прочность углеродного композиционного материала «Углекон-МЯ». При таких условиях его использование в качестве имплантата для замещения костного дефекта человека будет безопасным и эффективным. Благодаря проведенному исследованию материал в скором времени начнут широко применять в медицине.

Статья с результатами опубликована в «Российском журнале биомеханики» №4, 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ "Рациональное недропользование" и проекта № FSNM- 2023-0003.