Новый метод поможет создавать имплантаты с заданными свойствами

13:34, 22 ноября 2021

Благодаря ему материал будет срастаться с поврежденной костью с необходимой скоростью

Свойства материала, разработанного под руководством Светланы Ремпель, проверяют в том числе с помощью сканирующего микроскопа. Фото: Илья Сафаров.

Уральские ученые применили новый метод анализа материала для костных имплантатов. С его помощью возможно регулировать скорость растворения имплантата в зоне повреждения кости. Описание экспериментов и результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International.

Синтетический биоактивный гидроксиапатит (ГАП) — это материал, который используется для изготовления протезов костей и имплантатов, способствующих нарастанию новой костной ткани. Он находит широкое применение в травматологии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, косметологии. Ранее ученые выяснили, что добавление монооксида титана придает материалу прочность и сохраняет способность ГАП встраиваться в организм, не вызывая побочных эффектов. Однако получившийся нанокомпозит (многокомпонентный наноматериал) требует подробного изучения взаимодействия добавки и его матрицы на всех этапах синтеза, а также влияния этого взаимодействия на свойства конечного продукта. Это необходимо для улучшения процесса реконструкции поврежденных костей. Чем лучше имплантат связывается с костной тканью, тем эффективнее заживление поврежденных участков.

«Благодаря исследованию термохимических и физико-химических свойств наноматериала мы можем достичь некоторых желаемых свойств имплантата. Например, скорость растворения имплантационного материала в зоне костного дефекта. Ее можно регулировать путем изменения содержания фосфатов кальция в нанокомпозите, которое, как мы показали, зависит от стехиометрии добавок монооксида титана. Это создаст условия для нормального протекания процесса регенерации и структурной перестройки кости в зоне контакта с имплантатом», — поясняет ведущий научный сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Светлана Ремпель.

Для изучения свойств нанокомпозита ученые впервые применили метод синхротронной рентгеновской дифракции. Синхротронное излучение показало наибольшую точность и эффективность анализа материала в режиме реального времени.

«С помощью данного метода мы изучили изменения свойств наноматериала под влиянием разных температур — от температуры окружающей среды до 900 °C. В отличие от других методов, in situ исследование на источнике синхротронного излучения позволило наиболее точно определить температуры образования различных фаз при нагреве и охлаждении нанокомпозитов, получить информацию о размере частиц, убедиться, что все компоненты биосовместимы, а также найти косвенные доказательства частичной замены кальция на титан в составе гидроксиапатита», — рассказывает Светлана Ремпель.

Отметим, над созданием и изучением биосовместимого материала с содержанием гидроксиапатита и монооксида титана работали ученые Уральского федерального университета и Уральского отделения РАН (Екатеринбург) с коллегами из Грацского технического университета (Австрия) и Сибирского отделения РАН (Новосибирск). Разработка запатентована. Эксперимент синхротронного облучения материала проводился в Сибирском центре синхротронного излучения на базе Новосибирского ускорительного комплекса ВЭПП-4 — ВЭПП-2000. Исследование поддержал Российский фонд фундаментальных исследований (проект № 20-03-00675).

Справка

Рентгеновская дифракция (XRD) — это аналитический метод, который предоставляет информацию о структуре и фазовом составе кристаллических материалов. Синхротронное излучение образуется в поворотных магнитах, установленных в вакуумной камере, внутри которой с почти световой скоростью движется узконаправленный пучок электронов. Во время поворота — под воздействием магнитного поля — летящие электроны испускают по касательной к орбите пучки фотонов в широком спектре, максимум которого приходится на рентгеновский диапазон.