Ученые СПбГУ, РАН, НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера и СПбПУ разработали нанопокрытие из оксидов титана и цинка, которое при нанесении на импланты из сплава титана и никеля делает их биосовместимыми, безопасными и долговечными. Результаты исследования описаны в статье, опубликованной в научном журнале Applied Surface Science.
Одна из важнейших задач при разработке имплантов сегодня — создание биосовместимого, быстро и надежно интегрируемого в тело металлического объекта. Количество случаев отторжения металлических имплантов из‑за бактериального загрязнения поверхности материала и образования бактериальной биопленки в теле все еще слишком высоко. При этом использование антибиотиков и активных бактерицидных материалов не всегда возможно из-за негативного клеточного отклика организма (цитотоксичности). Кроме того, многие металлические материалы медицинских имплантов в долгосрочной перспективе подвержены биокоррозии.
Авторы новой работы предложили решить проблему с помощью нанопокрытий на основе химически стабильного и биосовместимого оксида титана и оксида цинка, обладающего антибактериальными свойствами. В качестве материала для нанесения этого покрытия был использовали нитинол — сплав титана и никеля, который обладает эффектом памяти формы: независимо от степени деформирован, при нагревании он всегда возвращается в исходную форму.
Исследование показало, что правильный подбор соотношения этих оксидов позволяет успешно комбинировать антибактериальные и антикоррозионные свойства с высокой степенью биосовместимости по отношению к остеобластоподобным и мезенхимальным стволовым клеткам. Для получения качественных покрытий важно выбрать правильный метод их синтеза, который позволит регулировать состав покрытий с высокой точностью и в широком диапазоне.
Кроме того, для потенциального массового использования метод должен быть масштабируем, а импланты могут иметь не только сложную форму, но и негладкую поверхность. В связи с этим метод получения должен позволять наносить покрытия на всю поверхность с максимальной равномерностью и однородностью. С учетом этих факторов химики решили использовать молекулярное наслаивание — метод атомно‑слоевого осаждения (АСО), основанный на проведении химических реакций между газообразными реагентами и поверхностью подложки.
В качестве подложек-имплантов использовались цилиндры и диски из полученного методом 3D-печати нитинола. Сначала поверхность подложки-импланта обрабатывается парами титан- и цинксодержащих реагентов, затем избыток реагентов и продукты химической реакции удаляются, поверхность обрабатывается парами воды, а затем удаляется и ее избыток. В результате на поверхности образуется тончайший слой покрытия, но процесс можно повторять, наращивая покрытие нужной толщины.
Проведя скрининг, ученые выбрали самые оптимальные варианты обработки поверхности имплантов, которые обладали хорошими адгезивными свойствами, не вызывали цитотоксического эффекта и, кроме того, оказывали остеоиндуктивное действие на клетки MG-63, что представляется исследователям крайне важным для успешной интеграции имплантов в костную ткань.
