Сибирские ученые разрабатывают умные имплантаты, способные выпускать медикаменты прямо внутри организма пациента. Кроме того, специалисты нашли метод эффективной и безопасной стерилизации этих устройств, содержащих антибиотики и противоопухолевые средства, используя высокоэнергетические электроны. Это поможет врачам снизить риск инфекций у пациентов. По словам экспертов, новая технология близка к внедрению в клиническую практику, особенно актуальна она будет в ортопедии и челюстно-лицевой хирургии, рассказали «Известиям» исследователи.

Умные имплантаты: что это такое

Объединенная команда исследователей из Института физики прочности и материаловедения, Института химии твердого тела и механохимии, а также Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН создала прототип умного имплантата, который обеспечивает постепенное высвобождение антибиотика или противоопухолевого препарата непосредственно в пораженном участке — например, в костной ткани после операции по удалению опухоли кости или при лечении остеомиелита, воспаления костей.

Чтобы добиться этого, ученые нанесли на поверхность титановый пластинку с пористым покрытием из кальций-фосфатного материала, который по химическому составу близок к костной ткани и обладает биоактивностью. В поры этого слоя внедрили антибиотик ванкомицин для борьбы с инфекциями, такими как золотистый стафилококк, или противоопухолевый препарат фторурацил. Для обеспечения медленного высвобождения лекарства сверху добавили биоразлагаемый сополимер, состоящий из молочной и гликолевой кислот.

«Известиям» медики пояснили, что современные имплантаты ускоряют заживление и заменяют поврежденные ткани, а при установке кардиостимуляторов могут спасти жизнь. Однако при установке таких устройств, особенно ортопедических и зубных имплантатов, врачи часто сталкиваются с осложнениями в виде инфекций. Для решения этих проблем создаются умные имплантаты – конструкции из металлов и сплавов, покрытые биосовместимыми и безвредными для организма соединениями. Для предотвращения бактериальных поражений на их поверхность наносят антибиотики, медленно выделяющиеся в области воспаления. При онкологических заболеваниях костей, суставов и мышц в имплантаты включают противоопухолевые препараты, которые тоже постепенно высвобождаются, предотвращая рецидивы.

Фото: Екатерина Комарова Прототипы умных имплантатов после стерилизации

Все медицинские имплантаты должны проходить стерилизацию перед введением в организм пациента, однако стандартные методы иногда не подходят для многокомпонентных покрытий. Исследователи предложили альтернативный способ стерилизации, предназначенный для чувствительных к температуре и влажности конструкций. Новый метод использует пучок ускоренных электронов (бета-излучение). Такой электронный поток оказался более бережным по сравнению с нагревом под давлением и другими стандартными способами. Исследования показали, что даже максимальная доза облучения не изменила состав препаратов, содержащихся в пористом слое имплантата.

— Результаты подтверждают, что обработка электронным пучком эффективна и безопасна для стерилизации сложных имплантатов и систем доставки лекарств. Она сохраняет структуру и химическую стабильность покрытий, обеспечивая стерильность и долгосрочную сохранность лекарственных свойств, что открывает путь к применению в клинике, — сказала «Известиям» кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН Екатерина Комарова.

Процесс обеззараживания имплантатов

Ученые оценили антимикробные свойства имплантатов. Для эксперимента на поверхности нанесли смесь бактерий золотистого стафилококка Staphylococcus aureus и грибка Candida albicans, наиболее часто вызывающих инфекции. После облучения части образцов электронным пучком, а остальные оставили без обработки, все поместили в питательную среду для размножения микроорганизмов. Уже через сутки среда с необлученными имплантатами помутнела из-за роста бактерий и грибов, тогда как среда с обработанными оставалась прозрачной. Кроме того, стерилизованные конструкции сохраняли свой стерильный и антимикробный эффект даже спустя шесть месяцев хранения.

Фото: Екатерина Комарова Один из авторов исследования – Екатерина Казанцева

— В дальнейшем планируем провести доклинические испытания умных имплантатов с электронно-лучевой стерилизацией на лабораторных мышах и изучить процесс роста костной ткани в тесте эктопического костеобразования — биомедицинском методе, хорошо показывающем, насколько материал способствует формированию кости, — добавила Екатерина Комарова.

Данное исследование — важный шаг к созданию умных имплантатов, которые после установки будут дозировано выделять лекарства, снижая шансы на инфекцию и рецидивы. Основное преимущество: стерилизация электронным пучком. В современной медицине часто применяются гамма-облучение и оксид этилена, однако для покрытий с медикаментами эти методы зачастую оказываются разрушительными, отметил руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского федерального университета Альберт Ризванов.

Фото: Екатерина Комарова Итоговый тест на антибактериальную активность

— В отличие от гамма-облучения, бета-излучение действует быстро, без повышения температуры и влаги, поэтому более аккуратно относится к полимерным материалам и молекулам препаратов. Перспективные направления применения — ортопедия, челюстно-лицевая хирургия (для профилактики перипротезных инфекций), а также онкоортопедия (локальная химиотерапия). Медицинские изделия с контролируемым высвобождением лекарственных средств существуют давно, но доказанная совместимость многослойных покрытий с бета-излучением открывает дорогу к массовому производству новых умных имплантатов, — объяснил эксперт.

По словам молекулярного биолога Арины Холькиной, традиционные методы стерилизации, например автоклавирование, часто уничтожают чувствительные антибиотики и противоопухолевые препараты, лишая их лечебного эффекта.

— Применение бета-излучения показывает высокую эффективность при сохранении структуры имплантата, что позволит широко использовать технологию в клинике, — добавила она.

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