Современные имплантаты, которые используются в ортопедической, реконструктивной и онкологической медицине, как правило, изготавливаются из нержавеющей стали, титана и различных сплавов металлов. Важной проблемой для таких имплантатов, мешающей им приживаться в организме, становятся бактерии, которые образуют биопленки и отличаются повышенной устойчивостью к действию иммунной системы, антибиотиков и дезинфицирующих средств. Особенное значение это приобретает в онкологической практике, где пациенты имеют сниженный иммунитет и склонность к инфекционным осложнениям.

Чтобы препятствовать размножению бактериальных колоний, на поверхность имплантатов наносят специальные покрытия. В медицине еще не выработан идеальный состав таких покрытий, и до сих пор продолжаются поиски наиболее эффективного материала для подобных применений. Ученые ИНХ СО РАН предлагают наносить на имплантаты пленочные гетероструктуры Ag/Ir или Ag/Au, полученные методами физического и химического осаждения из газовой фазы. Это позволяет проводить эксперименты при относительно низких температурах и работать с изделиями сложной 3D-геометрии.

 Покрытия Ag/Ir и Ag/Au позволяют имплантатам приживаться в организме

«Сформированные нами структуры представляют собой биоматериалы с подслоем металлов платиновой группы или золота, на который затем наносится активный компонент — серебро с различной концентрацией и поверхностным состоянием (наночастицы, нанокластеры, островковые или тонкие сплошные пленки). Иридий и золото выбраны в качестве подслоя для активации антибактериального эффекта, который определяется разницей потенциалов в гальванических парах “серебро — благородный металл” и, соответственно, динамикой выделения серебра в биологическую среду», — рассказывает главный научный сотрудник ИНХ СО РАН доктор химических наук Наталья Борисовна Морозова.

В гальванических парах “серебро — благородный металл” происходит анодное растворение серебра как более активного металла. В этом случае ионы серебра, обладающие антибактериальным эффектом, выделяются в раствор более эффективно, чем ионы серебра с поверхности имплантата без подслоя (здесь Ag выступает как катод, и поэтому отсутствует электрохимическая активация процесса).

В новом исследовании ученые оценили биоцидное действие таких покрытий по отношению к наиболее распространенным в онкологической практике колониям грамположительных (S. аureus, золотистый стафилококк) и грамотрицательных (P. аeruginosa, синегнойная палочка) бактерий. Работа проводилась совместно с коллегами из Национального медицинского исследовательского центра им. ак. Е. Н. Мешалкина, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного университета. ИНХ СО РАН отвечал за нанесение гетероструктур на материалы имплантатов. В НГУ и ИФП СО РАН исследовались состав, микроструктура, морфология и другие характеристики получаемых покрытий, а в НМИЦ им. ак. Е. Н. Мешалкина — их биологические характеристики (цитотоксичность, антибактериальная активность, здесь же проводился морфогистологический анализ).

В качестве материала имплантата ученые использовали сплав Ti-6Al-4V (диски диаметром 10 мм, толщиной 2 мм). На него наносили подслои Ir или Au толщиной порядка 1 мкм, а затем на поверхность осаждали антибактериальный компонент — серебро в различных состояниях. Содержание металла на поверхности и динамику растворения серебра изучали методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой ИСП-АЭС. Затем исследовали биосовместимость на культурах клеток и при подкожной имплантации образцов лабораторным животным (имплантаты туда помещали сроком на 30 и 90 дней). В данном случае изучали капсулу из фиброзной ткани, которая естественным образом формируется в результате реакции организма на инородное тело.

Результаты экспериментов показали, что покрытие с подслоем из золота, на поверхности которого оксидная фаза Ag является преобладающей, демонстрировало менее интенсивный, но более пролонгированный процесс растворения серебра. Такие образцы показали отсутствие признаков воспаления даже при длительных временах имплантации. Структура с подслоем из иридия, в свою очередь, характеризовалась максимальным растворением основной части серебра.

«Мы ищем пути, которые позволили бы реализовать двойной эффект: быстрое выделение серебра на первом этапе плюс его пролонгированное высвобождение в течение длительного времени, необходимое, чтобы сохранить антибактериальный эффект в течение всего срока приживаемости имплантата (минимум три месяца). Структура Ag/Au показалась нам наиболее перспективной, поскольку она способна выделять серебро дольше всех остальных вариантов. Наличие в Ag/Au окисленной фазы Ag в виде пленки препятствует быстрому растворению активных наночастиц серебра и мелких нанокластеров, которые постепенно выделяются в биологическую среду. Однако Ag/Au работает медленно на первом этапе, что является недостатком. Мы продолжаем искать пути, которые позволили бы управлять фазовым составом антибактериального компонента, чтобы обеспечить оптимальную динамику выделения серебра для пленочных гетероструктур на основе благородных металлов», — рассказывает Наталья Морозова.

Исследование выполнено в рамках проекта РНФ № 20-15-00222-П «Новые классы онкологических имплантируемых устройств с композиционными покрытиями из благородных металлов».

Диана Хомякова

Изображение предоставлено исследователями