Луч к здоровью: умные имплантаты смогут лечить опухоли и инфекции

Ученые из Сибири создают умные имплантаты, которые могут высвобождать лекарства прямо в организме пациента. Также исследователи нашли способ эффективно и безопасно стерилизовать вживляемые конструкции, которые содержат антибиотики и противоопухолевые препараты, с помощью электронов с высокой энергией. Это позволит врачам избежать инфекций у больного. Предложенный способ приблизит применение новой технологии в клинической практике, рассказали «Известиям» специалисты. Особенно это будет востребовано в ортопедии и челюстно-лицевой хирургии, считают эксперты.

Что такое умные имплантаты

Группа исследователей из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Института химии твердого тела и механохимии СО РАН и Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН создала прототип умного имплантата, который постепенно высвобождает антибиотик или противоопухолевый препарат прямо в очаге заболевания — например, в костной ткани после операции по удалению костной опухоли или при лечении остеомиелита (воспаления костей).

Для этого авторы нанесли на поверхность титановой пластинки пористое покрытие из фосфата кальция — биоактивного материала, близкого по химическому составу к костной ткани. В поры этого покрытия внедрили антибиотик ванкомицин для борьбы с инфекциями, например золотистым стафилококком, или противоопухолевый препарат фторурацил. Чтобы лекарство высвобождалось постепенно, на поверхность кальций-фосфатного покрытия нанесли биоразлагаемый сополимер, состоящий из молочной и гликолевой кислот.

Как пояснили «Известиям» медики, современные вживляемые конструкции ускоряют восстановление тканей и заменяют поврежденные органы, и зачастую — например, при имплантации кардиостимуляторов,— спасают жизни пациентам. Однако врачи при установке таких устройств, особенно в случае ортопедических и зубных имплантатов, часто сталкиваются с инфекциями. Чтобы решить эти проблемы, ученые и разрабатывают сложные системы — умные имплантаты. Они состоят из металлов и сплавов, которые покрывают биосовместимыми и безопасными для организма человека органическими и неорганическими соединениями. Чтобы предотвратить бактериальные заражения, на поверхность имплантатов наносят антибиотики, которые должны медленно выделяться в очаге воспаления. А в патологических случаях, например, при остеоонкологии — опухолях костей, суставов и мышц, — в имплантаты внедряют противоопухолевый препарат, который также постепенно выделяется и тем самым предотвращает рецидив ракового заболевания.

Фото: Екатерина Комарова Прототипы умных имплантатов после теста на стерильность

Перед установкой в организм человека все медицинские имплантаты необходимо стерилизовать, но в случае сложных многокомпонентных составов это не всегда удается сделать стандартными способами. Исследователи предложили альтернативный способ стерилизации вживляемых конструкций, чувствительных к высоким температурам и влажности. Новый подход заключается в обработке пучком ускоренных электронов (бета-излучением). Оказалось, что электронный пучок — куда более щадящий вариант стерилизации, чем температурная обработка под давлением и другие традиционные методы. Анализ показал, что даже после максимальной дозы облучения состав обоих препаратов, заключенных в пористый слой имплантата, практически не изменился.

— Наши результаты демонстрируют, что стерилизация электронным пучком — это эффективный и безопасный метод обеззараживания сложных имплантатов и систем доставки лекарств. Этот метод не нарушает структуру и химическую стабильность покрытий, гарантирует их стерильность и сохранность лекарственных свойств в течение длительного времени, что открывает путь для их клинического применения, — сказала «Известиям» кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН Екатерина Комарова.

Как обеззараживают вживляемые в организм конструкции

Ученые проверили антибактериальные свойства образцов. Для этого до облучения на них нанесли бактериально-грибковую смесь из бактерий золотистого стафилококка Staphylococcus aureus и грибка Candida albicans, которые чаще всего вызывают инфекции. После этого часть имплантатов простерилизовали электронным пучком, а другую часть не обрабатывали (ее использовали в качестве контрольных образцов). Все образцы поместили в питательную среду, благоприятную для размножения микроорганизмов. Пробирки с необлученными образцами помутнели уже через сутки, что указывает на размножение бактерий и грибков, в то время как среда с облученными образцами осталась абсолютно прозрачной. Более того, даже через шесть месяцев хранения стерилизованные конструкции сохранили свою стерильность и антимикробную активность.

Фото: Екатерина Комарова Автор исследования Екатерина Казанцева

— В дальнейшем мы планируем провести доклинические испытания разработанных умных имплантатов, подверженных электронно-лучевой стерилизации, на лабораторных мышах и изучить динамику роста костной ткани в тесте эктопического костеобразования — биомедицинском тесте, который показывает, насколько материал стимулирует образование костной ткани, — сказала Екатерина Комарова.

Проделанная работа — это шаг к созданию умных имплантатов, которые сразу после установки дозированно выделяют лекарство, снижая риск инфекции и рецидива болезни. Ключевая особенность — стерилизация электронным пучком. Сейчас в медицине широко применяют гамма-иррадиацию и оксид этилена, но для покрытий, содержащих лекарственные вещества, такие методы часто разрушительны, подчеркнул руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета Альберт Ризванов.

Фото: Екатерина Комарова Результаты антибактериального теста

— В отличие от гамма-облучения бета-излучение действует быстро, без нагрева и влаги, поэтому бережнее относится к полимерам и самим молекулам препарата. Наиболее перспективные области применения — ортопедия и челюстно-лицевая хирургия (профилактика перипротезных инфекций), онкоортопедия (локальная химиотерапия). Медицинские изделия с лекарственным высвобождением уже существуют, но доказанная совместимость именно многослойных покрытий с бета-излучением открывает путь к серийному производству новых умных имплантатов, — пояснил ученый.

Традиционные методы, такие как автоклавирование, часто разрушают чувствительные антибиотики или противоопухолевые препараты, что сводит на нет их терапевтический эффект, отметила молекулярный биолог Арина Холькина.

— Метод бета-излучения демонстрирует высокую эффективность и безопасность для структуры имплантата, что дает возможность широкого клинического применения, — сказала она.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.