Биоинженеры центра Мешалкина изобрели уникальный сверхлегкий композит для протезирования

Биоинженеры Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н. Мешалкина Минздрава России изобрели сверхлегкий карбидный композит со сквозной пористостью. Новый материал в перспективе сможет потеснить титан в онкопротезировании костей за счет своей химической чистоты и уникального преимущества по совместимости с МРТ. 

Методика изготовления оптимизирована, ориентирована на 100% отечественное сырье и стандартное оборудование, производимое в том числе и в России. Сам цикл производства по себестоимости сопоставим и даже несколько дешевле, чем 3D-печать из титана.

— Мы первопроходцы, и, в отличие от титана, который исследован в мире «вдоль и поперек», наш материал неизвестен клинической медицине. Поэтому впереди большой сбор данных, подтверждающих его безопасность для человека, несмотря на то, что своими глазами мы видим очень убедительные результаты, — отметил автор изобретения, заведующий лабораторией биопротезирования центра Мешалкина, кандидат технических наук Владимир Хахалкин.

Получение биоинертного сверхпрочного материала со сквозной пористостью – краеугольный камень в поисках идеального решения для протезирования костей: чтобы организм не воспринял чужеродное тело импланта «в штыки» и не начал его со временем «выталкивать», костная ткань должна иметь возможность прорасти его насквозь, интегрироваться в его структуру. Если достичь этого эффекта не удается, в месте контакта с имплантом кость уплотняется, испытывает давление и со временем разрушается, из-за чего в случае тазобедренного сустава, например, врачам приходится уже через 5 лет проводить замену протеза.

История попыток решить эту проблему насчитывает не одно десятилетие: в мире велись разработки пористых сверхпрочных материалов на основе титана, диоксида циркония, оксида алюминия, тантала, нитинола и кобальтхрома. Тантал не получил массового распространения из-за высокой цены, а 3D-печать из титана позволила достичь отличного результата и повсеместно внедрена в протезирование, но дает ограничения на проведение МРТ-диагностики у пациента в дальнейшем.

По словам Владимира Хахалкина, в составе нового сверхлегкого композита — чистый карбид бора, одно из самых химически инертных, химически стойких и прочных соединений: не растворяется кислотами, не коррозируется, в целом «равнодушен» к биологическому и механическому воздействию, а значит, безопасен. Кроме того, он не дает никаких помех на МРТ.

Изобретенная российскими учеными технология позволяет изготавливать изделие нужной формы и структуры с усадкой не более 2% (тогда как все ранее появлявшиеся в мире пористые керамики имеют усадку от 20 до 40%, что препятствовало их медицинскому применению — либо это была керамика без сквозной пористости).

— Факт — мы комплексно решили все эти задачи впервые в мире. Есть только 6-7 научных статей в мировой периодике, где вскользь упоминается, что карбид бора можно было бы использовать в качестве основы для импланта, но ни одного реального эксперимента не состоялось, потому что это один из самых твердых керамических материалов – его называют «черный алмаз». Сделать из него стандартными методами какую-то сложную форму путем механической обработки или методами горячего прессования, да еще и с пористой структурой — невозможно. Мы добились сквозной пористости не за счет порообразующих добавок, а естественным путем,  — рассказал Владимир Хахалкин. 

По его словам, на одной из стадий изготовления происходит очень медленное удаление связующего органического вещества, которое предварительно вводится в качестве клея для придания целевой формы импланту. Остаются сквозные «маршруты выхода», которыми после имплантации смогут воспользоваться и клетки организма для миграции внутрь изделия. Кроме того, наш материал, как губка, впитывает различные виды жидкости, что открывает возможности в будущем пропитывать пористый имплант не только питательной средой для активного роста клеток, но и лекарственными растворами, что может быть крайне важно в онкологической практике.

В рамках собственного исследования центром уже проведены первые эксперименты по имплантации образцов нового материала в разные типы костных структур лабораторных животных.

Как рассказал ведущий научный сотрудник Института онкологии и нейрохирургии центра, врач-онколог Александр Жеравин, результат впечатляет. 

— Никаких негативных реакций в месте имплантации нет, а на КТ и МРТ-снимках видны выраженная интеграция композита в кость, регенерация костной ткани в месте повреждения, а также более плотная фиксация импланта, чем в случае с гладкой поверхностью изделия из титана, — поделился он. 

По словам Владимира Хахалкина, отдаленная цель — внедрение материала в работу хирургов-ортопедов и онкологов, занимающихся протезированием при онкозаболеваниях костного аппарата.