Ученые Томского политехнического университета успешно синтезируют нанотрубки диоксида титана, которые ускоряют приживаемость костных имплантатов за счет того, что снижают нагрузку на имплантат, возникающую, когда человек двигается. Эти трубки представляют собой полые цилиндры в длину от сотен нанометров до 8-10 микрометров и покрывают равномерным слоем поверхность титанового имплантата. Кроме того, аспиранту вуза Роману Чернозему впервые в России удалось повторить эксперимент британских коллег и нанести на нанотрубки методом высокочастотного  магнетронного распыления покрытие из гидроксиапатита — это основная минеральная составляющая костей и зубов. Покрытие делает трубки более совместимыми с окружающей костной тканью.

Исследование ведется в Центре технологий кафедры экспериментальной физики Физико-технического института Томского политеха, часть работ выполняется в Институте физики высоких технологий вуза (зав. лабораторией В.П. Игнатов). Также политехники активно сотрудничают с ведущими экспертами в области медицинского материаловедения из Университета Дуйсбург (Германия), Технологического института Карлсруэ (КИТ, Германия), Калифорнийского университета Риверсайда (США) и множеством других научных организаций.

«Титан широко используется для изготовления имплантатов, но он значительно тверже костной ткани, и у них разные значения упругости. Поэтому при движении титан забирает на себя больше механической нагрузки, чем кости. Это может привести к разрушению костной ткани.

Нанотрубки позволяют решить данную проблему. Они как будто растут на поверхности имплантата ровным слоем, это своеобразная граница между костью и титаном. Нанотрубки просто не позволяют титану взять на себя больше механической нагрузки, чем костная ткань. Кроме того, титан биоинертен, он слабо взаимодействует с биологическими структурами и жидкостями. И чтобы он лучше приживался, его поверхность нужно изменять. Покрытие нанотрубок гидроксиапатитом “маскирует” имплантат под костную ткань, и он приживается быстрее», — рассказывает аспирант Центра технологий кафедры экспериментальной физики Роман Чернозем.

Тончайшее «маскировочное» покрытие на нанотрубки молодой ученый в ходе своих экспериментов наносил методом высокочастотного магнетронного распыления. Его суть заключается в том, что «мишень», содержащую гидроксиапатит, бомбардируют ионы инертного газа и буквально выбивают из нее необходимые ионы, атомы и так далее,  которые осаждаются тонким слоем на поверхности нанотрубок. Синтезировать нанотрубки можно на поверхности любых имплантатов из титана, его сплавов, а также некоторых других металлах.

«Высокочастотное магнетронное распыление позволяет создавать покрытия гидроксиапатита с высокой адгезионной прочностью, то есть покрытие прочнее присоединяется к титану. Также можно варьировать толщину покрытия от  десятков нанометров до микрометра. Эксперимент по осаждению гидроксиапатита на нанотрубки был впервые проведен британскими учеными вместе с их европейскими коллегами, наш эксперимент стал вторым. Однако мы провели более обширный эксперимент и использовали другие параметры получения биокомпозита из гидроксиапатита и диоксида титана.

Сейчас нанотрубки на фундаментальном уровне изучаются коллективами по всему миру, но в клинической практике широко не используются. Можно сказать, что это новое слово в имплантологии и медицинском материаловедении»,

— поясняет аспирант.

Работа Романа Чернозема недавно была отмечена гран-при на одной из самых престижных в России конференции в области медицинского материаловедения — на VI Всероссийской научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии» в Саратове. Другие работы студентов и аспирантов Центра технологий также были отмечены дипломами и наградами различных степеней данной конференции.

«У исследования большие перспективы. Сейчас экспериментируем с получением антибактериальной поверхности. На трубки осаждаем наночастицы серебра, которые в нужной концентрации токсичны для бактерий. Кроме того, сами трубки можно использовать как средство доставки биоактивных (delivery system) веществ и лекарств», — отмечает научный руководитель проекта, начальник Центра технологий ТПУ Роман Сурменев.

Справка:

Центр технологий кафедры экспериментальной физики приглашает активных студентов и магистрантов ТПУ со знанием английского языка для вовлечения в интересный мир научных исследований в области биомедицинского материаловедения в составе междисциплинарной мультиязыковой команды. Контактное лицо Роман Анатольевич Сурменев, surmenev@tpu.ru.