Научная группа из Сколтеха и Сеченовского университета напечатала на 3D-принтере образцы из пористого сплава железа и кремния — создатели считают этот материал перспективным для дизайна костных имплантов, сращивающих переломы. Результаты исследования свидетельствуют, что полученные образцы малотоксичны, прочны, биоразлагаемы и на них может формироваться костная ткань.
Напечатанные на 3D-принтере образцы из сплава железа и кремния / ©Олег Дубинин / Сколтех
Работа опубликована в журнале Biomedical Materials. Чтобы залечить серьезный перелом, на место дефекта устанавливают особые импланты, которые способствуют восстановлению кости. Они служат своего рода каркасом, который постепенно зарастает костной тканью. В идеале, к тому времени, как имплант выполнит свою задачу, он должен раствориться в теле — тогда не понадобится операция по его извлечению. Как раз для этого и подойдет, по мнению его создателей, новый сплав железа и кремния.
Материалы для подобных имплантов должны соответствовать ряду требований. Они должны быть прочными, как кость, и пористыми — чтобы было пространство для формирования новой ткани. Кроме того, подходящий материал должен быть биосовместимым и биоразлагаемым. То есть он, с одной стороны, принимается организмом пациента, с другой стороны — естественным образом растворяется; но не слишком быстро, чтобы биологическая кость успевала вырасти. Притом продукты разложения не должны быть токсичны.
«Часто используются сплавы железа, потому что этот металл не воспринимается организмом как чужеродный и разлагается примерно за такое время, какое нужно; и в то же время в чистом виде железо слишком мягкое. Наш коллектив материаловедов уже работал со сплавами железа и кремния, и мы подумали, что стоит их рассмотреть в контексте имплантов, ведь известно, что кремний тоже биосовместим, нетоксичен, хорошо усваивается и выводится организмом», — рассказывает первый автор исследования, младший научный сотрудник Сколтеха Юлия Бондарева.
«Мы изготовили пористые образцы из сплава железа и кремния на 3D-принтере из порошка. Напечатанные образцы имели произвольный дизайн, подходящий для комплексного исследования их механических и биологических свойств. В дальнейшем планируется изготовление образцов имплантов анатомической формы для исследований непосредственно в организме животных», — пояснил руководитель исследования Станислав Евлашин.
Коллектив исследовал механические свойства сплава, чтобы проверить, насколько хорошо образцы выдерживают сжатие и растяжение по сравнению с чистым железом и другими сплавами этого металла, популярными в имплантологии. Выяснилось, что новый сплав по своим характеристикам превосходит рассмотренные аналоги. «Вдобавок мы показали, что сделанные из него импланты действительно будут разлагаться организмом за нужное время», — добавила Бондарева.
«Кроме того, мы картировали элементный состав образцов, — продолжил Евлашин. — Порошок, который загружается в 3D-принтер, содержит железо и кремний в определенном соотношении, плюс при высокой температуре лазерной печати всегда в какой-то мере идет окисление. Чтобы убедиться, что механические свойства не меняются от одного участка образца к другому, мы подтвердили, что соотношение между двумя основными элементами — и кислородом тоже — правильное и оно неизменно по всему образцу».
Синтез материала и проверка механических свойств были проведены в Сколтехе, после чего образцы отправились в Сеченовский университет, где они прошли испытания с живыми клетками в физиологическом растворе. Мышиные фибробласты и клетки, полученные из пуповины человека, продемонстрировали хорошую спайку, то есть прочно пристали к каркасу из сплава. При помощи микроскопа удалось подтвердить, что выжило примерно 70 процентов клеток, что говорит о достаточно умеренной токсичности материала — она связана с образованием гидроксида и хлорида железа при разложении. Важно отметить, что на образце наблюдалось отложение фосфата кальция — значит, на импланте будет расти костная ткань.
Наряду с железосодержащими в качестве материалов для биоразлагаемых имплантов изучаются также сплавы магния и цинка. Однако из-за различий в свойствах можно ожидать, что они не займут в точности ту же нишу, что их аналоги на основе железа. Последние могут, в частности, наилучшим образом подойти для ортопедии и травматологии, где свойства нового сплава железа и кремния будут особенно ценны.
Один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета и сотрудник МГУ Анастасия Шпичка, прокомментировала работу: «Такие материалы востребованы, в частности, у ортопедов-травматологов. Имплант из сплава железа и кремния может иметь механические свойства, сравнимые с теми, которыми обладают коммерческие аналоги, однако он способен резорбироваться. В месте имплантации постепенно формируется новая ткань, замещающая имплант, и наступает момент, когда его не остается».
