В ТПУ создали новый композитный материал для регенерации костей

Учёные создали композитные каркасы для регенерации костной ткани, или скаффолды, с использованием полимера полигидроксибутирата, который разлагается в организме. В состав добавили магнитоактивные наполнители.

Скаффолды имеют микроволокнистую структуру и обладают электро- и магнитными свойствами. Это ускоряет восстановление костной ткани. Разработку успешно испытали на крысах с дефектами бедренной кости.

Миллионы людей во всём мире имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом. Кости и хрящи не всегда могут восстановиться сами, поэтому нужны функциональные биоматериалы.

Один из самых перспективных материалов в регенеративной медицине — полигидроксибутират (PHB). Это природный биополимер, который хорошо совместим с живыми тканями, разлагается в окружающей среде, прочен, устойчив к высоким температурам и безопасен для природы.

Наш научный коллектив уже много лет исследует магнитоактивные материалы для регенерации тканей. Доказано, что это безопасные технологии, которые позволяют магнитным полям глубоко проникать в ткани без затухания и нагрева.

Мы предложили совместить две перспективные технологии и разработали скаффолды на основе пьезоэлектрического полимера РНВ и композитных магнитных нанонаполнителей на основе магнетита и оксидов графена, — рассказал Роман Сурменев, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ.

Исследование показало, что скаффолды с добавлением композитных магнитных нанонаполнителей имеют уникальную микроструктуру.

Благодаря высокопористой и шероховатой поверхности каркасов улучшается адгезия клеток. А магнитные наполнители ускоряют биодеградацию каркасов PHB за счёт пор на поверхности композитных волокон.

С помощью рентгеновской дифракции и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы выяснили, что магнитоактивные наполнители меняют кристаллическую структуру композитных скаффолдов. В результате образуется нанокристаллическая структура полимера. Это улучшает механические свойства скаффолда: его прочность и эластичность, — говорит Мария Сурменева из международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ.

Учёные исследовали, как разрушаются композитные каркасы. Они проверили, как материал с магнитоактивными наполнителями и без них изменяется в течение шести месяцев. Оказалось, что пористость и шероховатость поверхности каркаса без наполнителя заметно изменились. Это значит, что магнитоактивные наполнители делают каркасы более устойчивыми.

Новые разработки в создании имплантатов, которые способствуют восстановлению и регенерации костей, могут значительно улучшить качество жизни людей с патологиями костей.

Это стало возможным благодаря сложному механизму биодеградации, который включает процессы высвобождения полимерных кристаллитов и кристаллизацию аморфной фазы, — рассказала Лада Шлапакова, инженер-исследователь из международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ.

Эксперименты на крысах показали, что композитные каркасы успешно восстанавливают дефекты бедренных костей. Это происходит благодаря повышенной шероховатости поверхности, наличию гидрофильных групп вблизи неё и эффектам материала — магнитоэлектрическому и магнитомеханическому.

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

11.10.2024