Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ в сотрудничестве с российскими и зарубежными коллегами создали композитные каркасы для регенерации костной ткани (скаффолды) с использованием пьезоэлектрического биодеградируемого полимера полигидроксибутирата с добавлением магнитоактивных наполнителей. Исследование показало, что скаффолды на его основе обладают уникальной микроволокнистой структурой, электроактивными и магнитными свойствами, которые позволяют ускорить процесс восстановления костной ткани. Разработанные учеными композитные каркасы были успешно апробированы в лечении дефектов бедренной кости у крыс.
Результаты исследования ученых ТПУ опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces (Q1, IF: 10,383).
Миллионы людей во всем мире страдают от повреждений опорно-двигательного аппарата. Ограниченная способность к самовосстановлению костных и хрящевых тканей обусловливает необходимость разработки функциональных биоматериалов. Одним из самых перспективных материалов в регенеративной медицине сегодня считается полигидроксибутират (РНВ). Это природный биополимер, обладающий высокой биосовместимостью и биоразлагаемостью, а также хорошей механической прочностью, термостойкостью и экологичностью.
«Наш научный коллектив ведет исследования магнитоактивных материалов в решении вопросов регенерации тканей уже много лет. Доказано, что это клинически безопасные технологии с глубоким проникновением магнитных полей в ткани без затухания и нагрева тканей. В своем исследовании мы совместно с коллегами предложили совместить две перспективные технологии и разработали электроформованные микроволокнистые скаффолды на основе пьезоэлектрического полимера РНВ и композитных магнитных нанонаполнителей на основе магнетита и оксидов графена», — отмечает один из авторов исследования, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.
Исследование показало, что скаффолды, изготовленные с добавлением композитных магнитных нанонаполнителей, обладают уникальной микроструктурой. Микроволокна этих каркасов имеют высокопористую и шероховатую морфологию, что способствует образованию проницаемой для клеток поверхности, позволяющей улучшить адгезию клеток. Кроме того, внедрение магнитных наполнителей позволило ускорить биодеградацию каркасов PHB за счет пор на поверхности композитных волокон и увеличенного содержания полимерной аморфной фазы в композитных скаффолдах.
В исследовании также приняли участие ученые из Московского государственного университета им. Ломоносова, Научно-исследовательского института морфологии человека имени академика А.П. Авцына, Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН и Университета Авейру (Португалия).
«Мы провели исследование получившихся композитных скаффолдов методами рентгеновской дифракции и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и выявили, что введение магнитоактивных наполнителей приводит к значительному изменению кристаллической структуры РНВ, а именно к образованию нанокристаллической структуры полимера. Это улучшает механические свойства скаффолдов, поскольку структурные изменения влияют на их прочность и эластичность», — добавляет ведущий научный сотрудник международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Мария Сурменева.
Особое внимание в исследовании ученые уделили ферментативной биодеградации композитных каркасов. Они провели испытания и в течение шести месяцев наблюдали за деградацией материала с магнитоактивными наполнителями и без них. Результаты показали, что пористость и шероховатость поверхности скаффолда без наполнителя подверглись заметным изменениям. Это подтверждает, что включение магнитоактивных наполнителей существенно влияет на устойчивость скаффолдов в течение времени.
«Сложный механизм биодеградации, включающий процессы высвобождения полимерных кристаллитов и кристаллизацию аморфной фазы, может открыть новые горизонты в создании имплантатов, способствующих восстановлению и регенерации поврежденных костей. Такие разработки могут в дальнейшем значительно улучшить качество жизни людей с патологиями костей, предполагая более эффективные и безопасные методы лечения», — подытоживает инженер-исследователь международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Лада Шлапакова.
Разработанные композитные каркасы были апробированы на крысах. Их имплантировали в бедренные кости грызунов для восстановления дефектов. Результаты экспериментов показали успешное восстановление кости после переменной магнитной стимуляции за счет синергетического влияния повышенной шероховатости поверхности, благодаря наличию гидрофильных групп вблизи поверхности, а также магнитоэлектрическим и магнитомеханическим эффектам материала.
Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета
Источник фото: ru.123rf.com