Доказана перспективность использования алмазоподобного покрытия имплантов, которые применяют для лечения осложненных остеопорозом переломов. В этом случае кости становятся особенно хрупкими и необходимые для фиксации их обломков спицы разрушают костную ткань. В отличие от обычных спиц из стали, импланты с алмазоподобным покрытием не вызывали у пациентов ни аллергии, ни воспалений, ни отторжения их организмом. Кроме того, они способствовали более эффективному восстановлению костной ткани. Покрытие разработали в Институте физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН и проверили его на пациентах в Уральском институте им. В.Д. Чаклина.
Для изготовления ортопедических и зубных имплантов чаще всего применяют нержавеющие стали, титан и его сплавы. Однако длительное пребывание изделий из металла в организме приводит к их коррозии. В результате металлические ионы попадают в окружающую ткань, вызывая разрушение кости вокруг импланта, что повышает риск его расшатывания и отторжения.
Предотвратить эти проблемы можно нанесением на поверхность импланта покрытий, не разрушающихся под действием химических процессов в нашем теле. Таким свойством обладают алмазоподобные углеродные покрытия.
Ранее ученые выяснили, что осаждающиеся на поверхность покрытия из алмазоподобного углерода клетки костного мозга хорошо приживаются и способны к размножению, то есть производству новой костной ткани. В опытах на лабораторных животных было доказано, что регенерации кости наиболее хорошо способствует алмазоподобная пленка из твердого аморфного углерода. Она нетоксична, биосовместима, не влияет на структуру и механические свойства имплантов, на которые нанесена.
Но до настоящего времени было неизвестно, будет ли восстанавливаться костная ткань на алмазных пленках в условиях остеопороза. При этой болезни прочность костей значительно ниже, чем у здорового человека. Поэтому любые металлические импланты расшатываются, будучи неспособными сохранить фиксацию костных отломков при переломах. В результате части костей не могут срастись, что нередко приводит к инвалидности.
В Уральском институте травматологии и ортопедии провели эксперименты на лабораторных крысах с остеопорозом. На стальные спицы, собранные в особую конструкцию (аппарат Илизарова), нанесли покрытие из твердого аморфного углерода и поставили их животным с переломами. В результате в зоне контакта спицы с отломком образовалась новая костная ткань.
Положительные результаты эксперимента позволили применить псевдоалмазное покрытие в клинике у пациентов с остеопорозом и несросшимися переломами костей голени.
— Покрытие защитного материала было трехслойным, — пояснила старший научный сотрудник Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН Анна Рубштейн. — На очищенную поверхность имплантата наносился слой титана, затем — переходной слой титан-углерод, который покрывался алмазоподобным углеродом. Общая толщина покрытия не превышала полутора микрометров, то есть почти одной тысячной миллиметра.
Спицы вводили в кости голени, закрепляли в аппарате Илизарова и разрешали пациентам нагрузку оперированной конечности с первых дней после операции. Изучение результатов лечения больных с «алмазными» спицами в сравнении с пациентами, которых лечили таким же методом, но использовали стандартные спицы, выявило значительные преимущества использования нового покрытия.
— У половины пациентов со стандартными спицами были отмечены нагноения около имплантатов. Поэтому их потребовалось удалить и заменить другими, — рассказала Стелла Гюльназарова, профессор Уральского университета им. В.Д. Чаклина. — Но ни у одного пациента с «алмазными» спицами в течение года после операции не было выявлено никаких признаков аллергических реакций, воспаления, отторжения или смещения имплантата.
Также средний диаметр каналов в кости после удаления спиц с покрытием был в 1,3 раза меньше того же параметра после удаления стандартных спиц.
По словам научного сотрудника Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» Федора Сенатова, алмазоподобные углеродные покрытия могут оказаться интересной альтернативой подходу, который сейчас активно развивается в области дентальных и ортопедических имплантатов. Речь о нанесении покрытий на основе кальцийфосфатной керамики.
— В случае кальцийфосфатных покрытий основной упор делается на повышение биоактивности имплантата и ускорение интеграции в костную ткань, — объясняет Федор Сенатов. — В случае алмазоподобных углеродных покрытий наиболее интересным результатом является изменение микротвердости и износостойкости материала имплантата, так как топография поверхности и ее механические свойства напрямую влияют на адгезию и способность клеток к размножению.
Далее исследователи планируют разработать технологию нанесения мозаичного нанопокрытия на основе алмазного, которое будет обладать антибактериальными свойствами. Это необходимо для снижения риска возникновения инфекции после введения импланта.