Ученые из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН создали новые костные цементы на основе фосфатов кальция и магния для применения в стоматологии, реконструктивной хирургии и ортопедии при замещении дефектов костных тканей и в качестве носителя лекарственных средств. Созданные цементы заполняют костные дефекты любой формы, могут применяться в качестве клеящего связующего при соединении фрагментов кости между собой или с титановым имплантатом. Со временем естественная костная ткань замещает цемент. Благодаря отсутствию экзотермической реакции при смешении, а также сильно кислых и щелочных компонентов, в такие цементы можно будет вводить лекарственный препарат, например, антибиотик для снижения риска инфицирования при операции. Результаты опубликованы в журнале Bioactive Materials, работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 18-33-20170.

На сегодняшний день в хирургии и ортопедии широко применяют костные цементы на основе нерастворимого биоинертного полимерного акрилата, к недостаткам которого относится экзотермическая реакция, приводящая к ожогам и некрозу окружающих тканей. Такие цементы не растворимы в организме и не способствуют росту естественной кости. Неорганические фосфатно-кальциевые костные цементы, затворяющиеся in situ, способны полностью замещать костные дефекты различной формы и размера, а также характеризуются высокой прочностью, по сравнению с материалами в виде пористых гранул и блоков при имплантации. Проблемой в применении фосфатно-кальциевых костных цементов является необходимость протекания химической реакции между порошком и жидкостью, что приводит к использованию сильно кислой цементной жидкости и последующей кислой реакцией в месте имплантации и связанному с этим некрозу костной ткани.

Учеными ИМЕТ РАН было исследовано влияние соотношений компонентов в системе фосфат кальция-фосфат магния-оксид магния в широком интервале концентраций на способность костных цементов к схватыванию и твердению с получением рН нейтральных составов в присутствии слабокислых растворов фосфата натрия в качестве цементной жидкости. Была разработана оригинальная методика синтеза прекурсора цементного порошка в одном сосуде, позволяющая достичь максимально равномерного распределения фаз в костном цементе. Совместно с учеными из МГУ им. М.В. Ломоносова и ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России были проведены физико-химические и биологические исследования материалов и установлено, в зависимости от комплекса свойств время схватывания — механические свойства — цитосовместимость, оптимальные составы костных цементов.

Присутствие MgO в исходных порошках приводит к значительному увеличению прочности цементов. В то же время, большое количество MgO в материалах системы (Ca+Mg)/P=2, приводило к щелочной реакции и цитотоксичности материалов, наблюдаемой в экспериментах in vitro.В разработанных цементных порошках с соотношением (Ca + Mg)/P = 1,67 MgO полностью реагировал с цементной жидкостью, что приводило к нейтральному pH цементов в дистиллированной воде и моделирующей внеклеточные жидкости организма среде. Было достигнуто более чем трехкратное увеличение значений прочности на сжатие, по сравнению с другими цитосовместимыми цементами с (Ca+ Mg)/P =1,5. Таким образом было выявлено оптимальное соотношение (Ca+Mg)/P= 1,67, полученные цементы обеспечивали время схватывания 13-15 минут, достаточное для введения и установки в место костного дефекта, высокую прочность на сжатие до 22 ± 3 МПа, растворимость в жидкостях, моделирующих внеклеточные жидкости организма, отсутствие цитотоксичности и способность поддерживать адгезию и распластывание клеток. При этом, предварительные испытания показали, что благодаря нейтральному рН разработанных цементов и отсутствию экзотермической реакции, такие цементы при введении в них антимикробных препаратов проявляют активность в отношении грамм-отрицательных и грамм-положительных бактерий и могут применяться для местной антимикробной терапии.

Формирование цемента in situ, содержащего 60 мо...

Формирование цемента in situ, содержащего 60 моль.% магния (Источник: Гольдберг М., ИМЕТ РАН)

Формирование цемента in situ, не содержащего ма...

Формирование цемента in situ, не содержащего магний (Источник: Гольдберг М., ИМЕТ РАН)

«Магний является одним из важнейшим элементов в организме человека, оказывая существенное влияние на синтез костной ткани. Фосфатно-магниевые фазы, наряду с фосфатно-кальциевыми, стали рассматриваться как оптимальные материалы для остеосинтеза. При этом, применение разработанных pH-нейтральных цементов в качестве носителя лекарственных средств будет способствовать как стимуляции роста новой костной ткани, так и снижению риска возникновения инфекций, связанных с имплантацией. Инфекционные осложнения могут приводить к развитию хронического остеомиелита, а в случае генерализации инфекции и развития синдрома системной воспалительной реакции или сепсиса — к летальному исходу. Поэтому на следующем этапе нашей работы мы приступили к исследованию поведения цементов с введенным в них антибиотиком широкого спектра действий», — рассказывает первый автор работы Маргарита Гольдберг, кандидат технических наук, научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.