Учёные из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) и Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) экспериментально подтвердили, что с помощью электронов с высокой энергией (бета-излучения) можно эффективно и безопасно стерилизовать сложные многослойные имплантаты, которые содержат антибиотики и противоопухолевые препараты.
По результатам исследования, даже высокие дозы облучения не повреждают структуру и химический состав покрытий и сохраняют их терапевтическую активность как минимум на шесть месяцев. Как отметили исследователи, предложенный способ решает проблему дезинфицирования сложных медицинских изделий и может использоваться для обработки многослойных имплантатов перед их внедрением в организм человека. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты исследования опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.
Современные имплантаты ускоряют восстановление тканей и заменяют органы, но при их установке часто возникают инфекции. Бактерии образуют устойчивую биоплёнку на поверхности имплантата, непроницаемую для антибиотиков и иммунных клеток. Также иммунная система может реагировать хроническим воспалением или отторжением на имплантаты из титана или нержавеющей стали.
Разные учёные разрабатывают умные имплантаты для решения проблем. Разработки состоят из металлов и сплавов, покрытых биосовместимыми и безопасными соединениями. Для предотвращения бактериальных заражений на поверхность наносят антибиотики, медленно выделяющиеся в очаге воспаления. В патологических случаях, например при остеоонкологии, в имплантаты внедряют противоопухолевые препараты, которые также постепенно выделяются и предотвращают рецидив рака.
Все медицинские имплантаты перед установкой в организм необходимо стерилизовать. Однако для сложных многокомпонентных составов стандартные методы, такие как автоклавирование (нагрев паром под давлением) или обработка оксидом этилена, могут быть неэффективны, так как высокие температуры и влажность разрушают органические покрытия и лекарственные молекулы.
Группа исследователей из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) и Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) создала прототип умного имплантата, постепенно высвобождающего антибиотик или противоопухолевый препарат прямо в очаге заболеваний, например, в костной ткани после операции по удалению костной опухоли или при лечении остеомиелита (воспаления костей).
Для этого авторы исследования нанесли на поверхность титановой пластинки пористое покрытие из фосфата кальция, представляющего собой биоактивный материал, близкий по химическому составу к костной ткани. В поры покрытия внедрили антибиотик ванкомицин для борьбы с инфекциями, например золотистым стафилококком, или противоопухолевый препарат фторурацил. Чтобы лекарство высвобождалось постепенно, на поверхность кальций-фосфатного покрытия нанесли биоразлагаемый сополимер, состоящий из молочной и гликолевой кислот.
Исследователи предложили альтернативный способ стерилизации таких имплантатов, чувствительных к высоким температурам и влажности, который заключается в обработке пучком ускоренных электронов (бета-излучением). Этот метод используется для обеззараживания одноразовых медицинских изделий и продуктов питания. Однако озвученного метода на сложные композитные покрытия, содержащие лекарства, ранее практически не было изучено. Образцы имплантата учёные облучали на устройстве, которое разгоняет электроны по прямой линии с помощью переменного высокочастотного электромагнитного поля (линейном ускорителе электронов). Исследователи протестировали два режима обработки: «жёсткий» (однократное облучение высокой дозой) и «мягкий» (многократное облучение малыми дозами с паузами для охлаждения).
В результате исследований электронный пучок оказался более щадящим вариантом стерилизации, чем температурная обработка под давлением и другие традиционные методы. Анализ показал, что даже после максимальной дозы облучения состав обоих препаратов, заключённых в пористый слой имплантата, практически не изменился. При этом антибиотик ванкомицин начинает разрушаться при нагревании до 70°C, поэтому при стандартной обработке (температура автоклавирования выше 100°C) вещество полностью разлагается.
Единственным чувствительным к излучению компонентом оказался полимер в составе покрытия. В исследованиях учёные зафиксировали, что с ростом дозы облучения молекулярная масса полимера уменьшилась на 12,5%. Как объяснили авторы исследований, снижение было незначительным и не привело к критичным изменениям в структуре полимерного слоя. Учёные подчёркивают, что физико‑химические свойства и структура покрытий также не пострадали после облучения.
Учёные протестировали антибактериальные свойства образцов. Для проверки до облучения на образцы нанесли бактериально-грибковую смесь из бактерий золотистого стафилококка Staphylococcus aureus и грибка Candida albicans, которые чаще всего вызывают инфекции при имплантациях. Далее часть имплантатов простерилизовали электронным пучком, а другую часть не обрабатывали (её использовали в качестве контрольных образцов). Все образцы поместили в питательную среду, благоприятную для размножения микроорганизмов. Пробирки с необлучёнными образцами помутнели уже через сутки, что указывает на размножение бактерий и грибков, тогда как среда с облучёнными образцами осталась абсолютно прозрачной. И через шесть месяцев хранения стерилизованные имплантаты сохранили свою стерильность и антимикробную активность.
Как отметила руководитель проекта, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН Екатерина Комарова, результаты исследования демонстрируют, что стерилизация электронным пучком — это эффективный и безопасный метод обеззараживания сложных имплантатов и систем доставки лекарств. По словам Комаровой, метод не нарушает структуру и химическую стабильность покрытий, гарантирует стерильность импланта и сохранность лекарственных свойств в течение длительного времени, что открывает путь для их клинического применения.
В дальнейшем исследователи планируют провести доклинические испытания разработанных умных имплантатов, подвергнутых электронно-лучевой стерилизации, на лабораторных мышах и изучить динамику роста костной ткани в тесте эктопического костеобразования — биомедицинском тесте, который показывает, насколько материал стимулирует образование костной ткани.
Источник: habr.com