Ученые разработали магний-кальций фосфатный костный цемент с ионами цинка, который подавляет рост патогенных бактерий золотистого стафилококка и кишечной палочки, а также выдерживает нагрузки до 500 килограмм на квадратный сантиметр. Полученный материал может использоваться в реконструктивно-восстановительной хирургии в качестве импортозамещаемых медицинских изделий для восстановления участков разрушенной из-за травм или болезней костной ткани. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.
Микрофотография поверхности костного цемента, сканирующая электронная микроскопия. Источник: Владимир Комлев
Переломы позвонков, вызванные травмами, остеопорозом, а также последствиями онкологических заболеваний, сопровождаются частичным разрушением костной ткани. Чтобы заместить возникающие дефекты, в России врачи часто используют зарубежные костные цементы на основе синтетического полимера полиметилметакрилата, известного также как органическое стекло. Этот материал хорош тем, что он обладает оптимальными вязкостью и механическими свойствами. При этом многочисленные клинические исследования показали ряд недостатков полиметилметакрилата, а именно — токсичность исходных соединений, из которых его получают, а также неспособность полимера разлагаться в организме. Кроме того, хирургические вмешательства могут сопровождаться инфекциями. Бактерии Staphylococcus aureus, Enterococcus spp., Streptococcus spp. и другие иногда поражают кости и суставы, что может привести к серьезным осложнениям и более длительной реабилитации пациентов. Поэтому ученые ищут такие составы костных цементов, которые обладали бы еще и антибактериальной активностью.
Ученые из Института металлургии и материалов имени А.А. Байкова РАН (Москва) с коллегами синтезировали новые костные цементы на основе минерала ньюбериита (химически — фосфата магния), в который включили небольшое количество цинка. Авторы предложили использовать цинк вместо серебра, которое благодаря антибактериальным свойствам входит в состав многих медицинских изделий. Поскольку цинк, а также фосфаты кальция и магния присутствуют в костных тканях человека, такой материал будет гораздо лучше восприниматься организмом. Естественный состав ускорит срастание инородного тела с естественной костью, что будет способствовать эффективной реабилитации пациентов.
Введение небольшого количества цинка (до 1 массового %) в материал должно стимулировать рост ткани и противодействовать инфекции на локальном уровне. Кроме того, эксперименты показали, что этот химический элемент повышает прочность материала. Так, полученный костный цемент способен выдерживать нагрузки при сжатии до 500 килограмм на квадратный сантиметр, что вдвое больше, чем возможности составов, не содержащих цинк.
Доклинические исследования разработанных материалов показали, что новые костные цементы эффективно противостоят распространению патогенных бактерий Staphylococcus aureus и Escherichia coli, часто вызывающих внутрибольничные инфекции. Материал продемонстрировал полное подавление их роста в радиусе до восьми миллиметров в течение 24 часов. Это указывает на то, что применение цинксодержащих цементов поможет бороться с бактериями, которые стали устойчивы к большинству известных антибиотиков.
«Надеюсь, что дальнейшая реализация данного проекта — от фундаментальных исследований до создания медицинского продукта — будет ярким примером нашей эффективной работы, направленной на повышение качества жизни человека и обеспечение технологического суверенитета страны», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Комлев, доктор технических наук, директор ИМЕТ РАН.
В исследовании также принимали участие сотрудники Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова (Москва), Национального центра радиологии имени П.А. Герцена (Москва).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда