Исследователи из ТПУ вместе с коллегами из СибГМУ и БФУ им. И. Канта изучили свойства кальций-фосфатных покрытий, нанесённых на титановые имплантаты в среде различных инертных газов. Им удалось выяснить, что использование ксенона положительно влияет на физико-химические, механические и биологические свойства покрытий, применяемых в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и травматологии. При этом ранее комплексных исследований, связанных с влиянием рабочих газов на покрытия, не проводилось. Результаты этой исследовательской работы опубликованы в журнале Biomedical Materials.
«Наш коллектив занимается материалами биомедицинского назначения. Однако специфика инженерного университета такова, что у нас нет специалистов-медиков, поэтому мы сотрудничаем с исследователями СибГМУ и БФУ им. И. Канта, имеющими все необходимые компетенции. Эта коллаборация позволяет получать результаты не просто в виде статей, но и решать практические задачи медицины. Ведь, без медиков внедрять в практику наши технологические решения просто невозможно. В перспективе, наша совместная работа имеет амбициозную цель — сделать Томск центром разработки и внедрения новых медицинских материалов и технологий. Мы, как инженеры, можем предлагать новые технические идеи, материалы, а они — внедрять эти идеи в медицинскую практику. И эта связка технологического и медицинского университета поможет лечить пациентов качественнее и быстрее», — говорит руководитель лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ Сергей Твердохлебов.
Кальций-фосфатные покрытия толщиной до микрона наносились учёными ТПУ на титановые подложки с помощью магнетронного распыления гидроксиапатитовой мишени с использованием рабочего газа. Обычно для этих целей применяется инертный газ аргон. Однако политехники в своём исследовании изучили влияние на покрытия не только аргона, но и неона, криптона и ксенона. Затем учёные исследовали физико-химические, механические и биологические свойства полученных биомедицинских материалов. В ТПУ изучались состав покрытий, морфология, механические свойства, в том числе и адгезия, химический состав, а клеточные исследования проводились сотрудниками СибГМУ и БФУ им. И. Канта.
«Кальций-фосфатными покрытиями занимаются не только в нашем университете, их свойства тщательно изучают, работают над их улучшением. Наша же совместная работа была посвящена получению новых результатов в данном направлении — изучению влияния различных инертных газов на покрытия. В своей части исследования мы выяснили, что, в зависимости от конкретного газа, отличаются морфология поверхности, соотношение кальция к фосфору, варьируют механические свойства. Например, покрытия, сформированные с использованием рабочего газа ксенона, отличаются лучшей адгезией — свойством, позволяющим покрытию не отслаиваться слишком быстро с подложки. Результаты, полученные с использованием клеточных технологий, удивили нас, поскольку и здесь ксенон показал себя лучше всего», — говорит одна из авторов статьи, научный сотрудник Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Анна Козельская.
Для клеточных исследований использовались мезенхимальные стволовые клетки, выделенные из жировой ткани донора. Они способны трансформироваться в различные типы клеток, включая жировые, костные, хрящевые, возможно, мышечные и нервные. Исследования клеток включали проверку их жизнеспособности in vitro и экспрессии генов. В данной работе необходимо было убедиться, в том числе и в том, что покрытия стимулируют дифференциацию мезенхимальных клеток в клетки костной ткани.
«Результаты оказались весьма интересными. Благородные газы считаются достаточно инертными веществами с близкими свойствами. Тем не менее, они по-разному влияют на физико-химические свойства формируемых кальций-фосфатных покрытий. В свою очередь, это обусловливает различный отклик клеток, начиная с активации их генов, приводящих в конечном итоге к дифференцировке стволовых клеток в остеобласты. Наиболее благоприятная клеточная реакция обнаружена для ксенона, который в медицине известен как газ для проведения анестезии. Если результаты подтвердятся в исследованиях на животных и в клинике, то можно говорить о применении технологий для производства расширенной панели имплантатов, применяемых в биоинженерии костной ткани», — добавляет профессор кафедры морфологии и общей патологии СибГМУ Игорь Хлусов.
При этом учёные признают, что ксенон является достаточно дорогим для использования инертным газом. Однако, покрытия, сформированные с его помощью, можно комбинировать с более толстыми кальций-фосфатными покрытиями с кристаллической структурой. Это позволит уменьшить затраты на газ и получить покрытия с улучшенными свойствами. Дело в том, что покрытия, сформированные с помощью ксенона, обладают полностью аморфной структурой. Это помогает стимулировать костеобразование в первые недели после установки имплантата. С такого покрытия хорошо выделяются кальций и фосфор, ответственные за образование костной ткани. Но при этом подобные тонкие покрытия очень быстро растворяются, оголяя имплантат.
«Мы же предлагаем наносить подобное покрытие сверху кальций-фосфатных покрытий с кристаллической структурой. Тем самым, мы сможем получить следующий положительный эффект: за первые две-четыре недели аморфный слой растворится, обеспечив максимальный выход кальция и фосфора. А затем нижние слои будут обеспечивать дальнейшее более длительное высвобождение элементов, что будет способствовать пролонгированному действию. Комбинирование подобных покрытий станет следующим этапом нашей работы», — поясняет Анна Козельская.