Новости

10 июля, 2024 13:50

Антибиотик ванкомицин в защитном покрытии магниевого имплантата предотвратит инфекции при протезировании костей

Ученые сформировали на образцах магниевого сплава кальций-фосфатное покрытие для костных имплантатов, содержащее антибиотик ванкомицин. Покрытие повысило коррозионную устойчивость сплава в два раза. При этом оно обладало выраженным антибактериальным действием, не подавляло рост человеческих клеток и предотвращало воспаление после имплантации образцов в ткани животных. Таким образом, полученные изделия повысят успешность и безопасность протезирования костей. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.
Авторы исследования за работой. Источник: Константинэ Надараиа
Схематическая иллюстрация формирования и работы покрытия. Источник: Константинэ Надараиа
3 / 4
Авторы исследования за работой. Источник: Константинэ Надараиа
Схематическая иллюстрация формирования и работы покрытия. Источник: Константинэ Надараиа

Костные имплантаты обычно изготавливают из биоинертных металлов и сплавов, например титана. Такие соединения не растворяются в организме и в ряде случаев требуют удаления после восстановления костей. В отличие от них, магний и его сплавы удалять не нужно, так как они безопасно разлагаются и рассасываются в организме. Однако магниевые сплавы обладают низкой коррозионной стойкостью, то есть со временем они разрушаются, а продукты коррозии могут вызывать воспалительные процессы в организме. Чтобы предотвратить коррозию магниевых сплавов, но при этом сохранить их способность к разложению, ученые разрабатывают биосовместимые защитные покрытия. Однако на данный момент многие из таких покрытий плохо связываются с основой имплантата, расслаиваются и трескаются.

Исследователи из Института химии ДВО РАН (Владивосток) с коллегами изучили, как покрытие из фосфатов кальция влияет на коррозионную стойкость и биосовместимость имплантатов из сплава на основе магния. Выбранное покрытие состояло из элементов, присутствующих и усваивающихся в организме человека.

Чтобы сформировать покрытие, авторы поместили магниевые образцы в раствор, содержащий соединения кальция и фосфора, и пропустили через него электрический ток. В результате на сплаве был сформирован гидроксиапатит — основной минеральный компонент костной ткани. Затем в образцы с покрытием внедрили антибиотик ванкомицин, который используется для борьбы с инфекциями, возникающими после имплантации. Авторы рассчитывали, что такая обработка антибиотиком снизит вероятность развития инфекций после помещения имплантатов в живой организм. Толщина покрытия не превышала 0,1 миллиметра, при этом кальций и фосфор распределились по нему равномерно. На поверхности образца сформировались поры разного диаметра, глубины и формы. Такая поверхность будет способствовать хорошей приживаемости имплантата за счет прорастания соединительной ткани человека в поры покрытия.


Изображение полученных покрытий без ванкомицина (PEO, a) и с ванкомицином (PEO-V, b) и карты распределения элементов, входящих в состав покрытия. Источник: Константинэ Надараиа.

Также химики показали, что покрытие, содержащее гидроксиапатит, в два раза повысило коррозионную стойкость изделий. Таким образом, оно будет предотвращать преждевременное разрушение имплантата и неконтролируемое высвобождение ионов магния в организм.

Затем исследователи изучили антибактериальные свойства сформированных магниевых образцов с покрытием. Для этого авторы поместили образцы в чашки Петри с культурой клеток золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) — бактерий, образующих биопленки на медицинских имплантатах и в прилегающих тканях и вызывающих воспаление. Внедрение в покрытие антибиотика позволило эффективно уничтожать бактерии.



Результаты антибактериального теста. Изображения чашек Петри с культурой золотистого стафилококка, инкубированной в присутствии различных типов образцов: без покрытия (Mg, а), с покрытиями без (PEO, b) и с (PEO-V, c) внедренным ванкомицином. Источник: Константинэ Надараиа.

Ученые установили, что антибиотик интенсивно выделялся из пор покрытия в первые четыре дня эксперимента. Так как имплантат-ассоциированные инфекции с наибольшей вероятностью возникают именно в первые дни после операции, выделение антибиотика будет активно подавлять их развитие. С седьмых суток концентрация ванкомицина в моделируемой жидкости организма почти не менялась, а к 28 суткам антибиотик полностью высвободился из пор покрытия. Таким образом, спустя неделю после имплантации оставшиеся низкие концентрации препарата будут предотвращать возвращение инфекций и образование бактериальной биопленки, но не будут мешать прикреплению клеток человека к поверхности имплантата.

Кроме того, авторы проверили, не токсично ли покрытие. Для этого образцы смешали с клетками пигментного эпителия сетчатки человека — одной из самых популярных клеточных культур, используемой учеными для тестирования совместимости веществ с человеческими клетками. Образцы с покрытием, содержащим антибиотик, практически не подавляли клеточный рост, в то время как сплав без покрытия подавлял рост клеток на 58%, что ставит под сомнение безопасность использования чистых магниевых сплавов в качестве имплантатов.

Также химики проверили, будет ли имплантация образцов в область позвоночника самцов крыс вызывать воспалительные реакции. У животных с имплантированными образцами без покрытия наблюдалась местная воспалительная реакция: постепенное образование продуктов коррозии привело к появлению гнойных капсул вокруг образцов. Напротив, в местах имплантации образцов с кальций-фосфатным покрытием не было обнаружено признаков воспаления. Биохимические показатели крови, анализ мочи, анализ свертываемости крови у экспериментальных животных после имплантации показали, что сформированные покрытия не вызывают системного воспаления в организме и не имеют токсического эффекта.

«Разработанное покрытие позволяет нивелировать негативные свойства магниевых сплавов, расширяя возможности их использования в имплантологии. Наши дальнейшие исследования будут направлены на улучшение полученных материалов, создание гибридных слоев, содержащих противоопухолевые и подавляющие разрушение костной ткани вещества», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Константинэ Надараиа, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии ДВО РАН.

Также в исследовании приняли участие ученые из Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Национального научного центра морской биологии имени А.В. Жирмунского ДВО РАН (Владивосток), Краевого клинического кожно- венерологического диспансера (Владивосток) и НМИЦ «Лечебно-реабилитационный центр» (Москва).

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

18 июля, 2024
Чувствительный к летучим соединениям молока «электронный нос» с 83% точностью оценил количество бактерий в продукте
Ученые создали датчик, который, подобно человеческому носу, улавливает летучие соединения, содержа...
18 июля, 2024
Кристаллографы СПбГУ расшифровали структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Международная группа ученых под руководством кристаллографа Санкт-Петербургского государственного ун...