Для приживаемости имплантата важна не только биосовместимость материала, большую роль играют и его структурные особенности: чем лучше имплантат «мимикрирует» под кость, тем быстрее начнется процесс срастания. Процесс можно сделать более эффективным при помощи введения специфических добавок, привлекающих в область имплантации собственные клетки пациента, способствующие формированию новой кости. Коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи, НМИЦ им. Н.Н. Блохина и Технического университета Дортмунда добились повышения эффективности приживаемости костных имплантатов в 5-7 раз. Как это стало возможным?

Все дело в комбинаторном подходе: пористая структура имплантата, его минеральное обогащение и действие двух вводимых в имплантат белковых факторов роста.

Исследователи ввели в гибридный имплантат из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и гидроксилапатита (минеральное вещество, составляющее примерно 50% натуральной кости) белки, в природе способствующие росту костной ткани и кроветворению. Эксперимент проводился на лабораторных мышах с трепанационным отверстием в черепе диаметром 4 мм – самостоятельно, без имплантата такой дефект не затянулся бы никогда.

«Мы изготовили гибридный имплантат из пористого СВМПЭ с наночастицами гидроксилапатита. В структуре материала были сформированы поры диаметром 50-800 мкм с особым микрорельефом 0,05-0,8 мкм, за который стало удобно “цепляться” клеткам организма. Наши коллеги из Дортмунда проводили оценку образцов на микроскопе высокого разрешения и при помощи томографии – важно было, чтобы все поры в имплантате были сквозными, чтобы ткани пациента смогли максимально их заполнить», – комментирует руководитель исследования со стороны НИТУ «МИСиС», научный сотрудник Центра композиционных материалов, к.ф.-м.н. Федор Сенатов.

В имплантат вводили искусственно синтезированные белки двух видов – костный морфогенетический белок 2 (BMP-2), привлекающий к месту имплантации собственные клетки пациента, способствующие образованию костной ткани, и эритропоэтин (EPO), обладающий множеством функций в организме, в данном случае, способствующий образованию кровеносных сосудов в новообразованной костной ткани.

«Мы впервые использовали для заполнения дефектов костной ткани пористый имплантат из СВМПЭ с гидроксилапатитом в комбинации с двумя рекомбинантными белками – широко используемым в ортопедии и травматологии BMP-2, и EPO, который применяется в медицине в основном с целью восстановления у пациентов кроветворной функции. BMP-2, как и ожидалось, вызвал усиленный рост новообразованной костной ткани. Добавление EPO привело к появлению в новообразованной кости множества кровеносных сосудов достаточно большого диаметра, то есть, к улучшению качественных показателей костной ткани. Стоит отметить, что оба белка были разработаны и получены синтезом в клетках бактерий в нашей лаборатории. Работа выполнялась в рамках проекта Российского Научного Фонда», – прокомментировала руководитель исследования со стороны НИЦЭМ им. Н. Ф. Гамалеи, главный научный сотрудник НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи, д.б.н., профессор Анна Карягина.

В эксперименте использовалось семь групп мышей: в первой группе в трепанационное отверстие имплантат не вводили, во второй использовался гибридный имплантат без введенных в него белков, в остальных – имплантат с различными комбинациями этих белков. Наиболее удачные результаты были выявлены в группах 6 и 7: в одной из них в имплантат вводили 7 микрограмм BMP-2, в другом – 3,5 микрограмм BMP-2 и 3,5 микрограмм EPO. Уже на 3 неделе эксперимента дефект черепа у мышей из этих двух групп полностью затягивался активно растущей костной тканью. Это в 5-7 раз более эффективно (то есть при добавлении белков образуется в 5-7 раз больше костной ткани) по сравнению с приживаемостью имплантата без введенных белков.

Ход эксперимента в семи группах мышей с краниальным дефектом. Можно наблюдать, что наиболее эффективные результаты достигнуты в 6 и 7 группах.
Ход эксперимента в семи группах мышей с краниальным дефектом. Можно наблюдать, что наиболее эффективные результаты достигнуты в 6 и 7 группах.

Статья о разработке опубликована в Materials Science & Engineering C. В дальнейших планах ученых – продолжить работу над созданием биосовместимых модифицированных имплантатов, в том числе, из биорезорбируемых материалов, которые бы со временем полностью растворялись, оставляя только заново выросшую кость.