Результаты исследования опубликованы в научном журнале Applied Surface Science.

Одна из главных задач для учёных при создании современных имплантов — сделать их из металла, который быстро и надёжно интегрируется в тело и не вызывает отторжения.

Проблема в том, что металлические импланты могут отторгаться из-за бактериального загрязнения поверхности материала и образования биоплёнки. Использование антибиотиков и бактерицидных материалов или покрытий иногда невозможно из-за негативной реакции организма.

Кроме того, многие металлические материалы недостаточно стабильны при длительном использовании: они могут преждевременно потерять необходимые механические характеристики или избыточно раствориться, что негативно скажется на организме.

Учёные из Санкт-Петербургского университета предложили решить проблему с помощью нанопокрытий на основе оксида титана и цинка. Эти материалы химически стабильны и биосовместимы, а оксид цинка ещё и обладает антибактериальными свойствами.

Нанопокрытия нанесли на нитинол — сплав никеля и титана, который запоминает свою форму и при нагревании возвращается к ней, как бы сильно его ни деформировали.

Исследования показали, что правильное соотношение оксидов позволяет сочетать антибактериальные и антикоррозионные свойства с хорошей биосовместимостью по отношению к человеческим остеобластоподобным и мезенхимальным стволовым клеткам, — сообщил Денис Назаров, первый автор исследования и руководитель гранта, старший научный сотрудник кафедры химии твердого тела СПбГУ.

Для получения качественных покрытий нужно выбрать правильный метод их синтеза, который позволит точно регулировать состав и будет масштабируемым для массового использования в будущем.

У имплантов сложная форма и шероховатая поверхность, поэтому метод нанесения должен позволять покрывать всю площадь максимально равномерно и однородно. С учётом этих требований химики СПбГУ решили использовать метод атомно-слоевого осаждения (АСО), при котором химические реакции происходят между газообразными реагентами и поверхностью подложки.

В качестве подложек-имплантов использовали цилиндры и диски из нитинола, полученного 3D-печатью.

Сначала подложку обрабатывали парами реагентов, содержащих титан и цинк. Затем избыток реагентов удаляли. После этого поверхность обрабатывали водяным паром и также удаляли его избыток. В результате на поверхности формировался слой покрытия толщиной до нескольких десятых нанометра. Процесс можно повторять, чтобы увеличить толщину покрытия.

Денис Назаров отметил, что благодаря циклическому процессу можно получать покрытия заданной толщины, меняя количество циклов. А варьируя тип и количество химических реагентов — регулировать состав покрытий.

Учёные оценили, как взаимодействуют импланты с различными способами обработки поверхности и костная ткань. Для этого они использовали клеточные линии остеосаркомы человека (MG-63) и мезенхимные клетки костного мозга эмбриона (FetMSC), полученные в центре коллективного пользования «Коллекции культур клеток позвоночных» Института цитологии РАН.

В результате скрининга учёные выбрали несколько оптимальных вариантов обработки поверхности имплантов. Эти варианты обладают хорошими адгезивными свойствами, не вызывают цитотоксического эффекта и дополнительно оказывают остеоиндуктивное действие на клетки MG-63. Это важно для успешной интеграции имплантов в костную ткань, — сообщила ведущий научный сотрудник лаборатории клеточных биотехнологий Института цитологии РАН Наталия Юдинцева.

Работа выполнена в ресурсном центре СПбГУ при поддержке гранта РНФ. В работе также приняли участие учёные из Института цитологии РАН, Санкт-Петербургского НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Иллюстрация:нейросеть