В настоящее время наблюдается повышенный спрос на материалы с наноповерхностями, обладающие антибактериальными свойствами. Это особенно актуально для пациентов, которым требуется установка катетеров и имплантатов. Недавно была опубликована информация о разработке абсолютно новой антибактериальной поверхности, включающей молекулярные соединения, блокирующие взаимодействие всех бактерий и образование биопленки. Такая поверхность снижает устойчивость бактерий к антибиотикам и затрудняет их координированную атаку на организм хозяина. На поверхности имплантатов происходит конкуренция между клетками человека и бактериями за колонизацию. Очевидно, что предпочтительными являются поверхности, способствующие победе клеток человека. Международная группа исследователей применила “нанотопологию” для создания поверхности, физически уничтожающей бактерии без вреда для клеток человека.
Учёные были в курсе выводов предыдущего исследования крыльев стрекоз, которые состоят из бактерицидных наноструктур. Синтетическим материалом с аналогичными бактерицидными свойствами является чёрный кремний. Чёрный кремний состоит из крошечных шипов, напоминающих вбитые в доску гвозди. Поскольку бактерии очень малы по размеру, эти шипы оказывают на них огромные механические нагрузки, разрывая их на части. В сравнении с ними человеческие клетки просто гиганты. Подобно человеку, способному лежать на гвоздях, эти клетки должны теоретически выдерживать такие нагрузки.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи покрывали поверхности либо чёрным кремнием, либо обычным кремнием, предварительно заразив их болезнетворными микроорганизмами — синегнойной палочкой или золотистым стафилококком. Затем они добавили клетки почек обезьян (так называемые клетки COS-7), чтобы определить, как они выживают в присутствии патогенов при наличии или без чёрного кремния.
Обезьяньи клетки с трудом развивались в присутствии бактерий на поверхностях без чёрного кремния. Синегнойная палочка полностью исключала возможность роста этих клеток на поверхности с обычным кремнием, в то время как золотистый стафилококк значительно ослаблял клетки обезьян. С другой стороны, при развитии клеток на поверхности из чёрного кремния бактерии погибали, и клетки развивались довольно успешно. Кроме того, чёрный кремний способен убивать грамположительные (толстая клеточная стенка, представленная золотистым стафилококком) и грамотрицательные (две внешние мембраны, представленные синегнойной палочкой) бактерии.
Важно отметить, что авторы установили, что чёрный кремний, по-видимому, не вызывает проблем для эукариотических клеток. Микроскопические исследования показали, что мембраны клеток обезьян меняют свою форму, поглощая крошечные шипы. Кроме того, чёрный кремний, имплантированный в мышей, не вызывает никаких воспалительных реакций.
Учёные заключают, что впервые было показано, что эукариотические клетки способны развиваться на поверхностях, ранее заражённых опасными бактериями. Можно надеяться, что авторы постараются коммерциализировать эту технологию, и это может быть довольно многообещающим.
Российский опыт
Эффективные против микробных и грибковых патогенов антибактериальные нанопокрытия, которые не имеют характерных побочных эффектов и могут стать безопасной альтернативой антибиотикам для использования в травматологии, хирургии и имплантологии создали материаловеды Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС». Материал на основе нитрида бора и ультрадисперсного металлизированного серебра или наночастиц оксида железа обладает эффективностью до 99,99%. Сейчас проводятся испытания полученных образцов в качестве покрытий для имплантатов.
Разработчики подчеркивают: в результате испытаний было доказано, что покрытие безопасно для организма пациента. Преимущественным отличием от аналогов стали минимальные дозы бактерицидных компонентов и полное отсутствие наполнителя-антибиотика, что исключает развитие резистентности (невосприимчивости к антибиотикам).
Группа ученых НИТУ «МИСИС» совместно с коллегами из Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии предложила нестандартное комплексное тройное воздействие на инфекционные возбудители: игольчатая поверхность наночастиц физически повреждает мембраны бактериальных клеток, затем высвобождаются ионы металлов, обладающие бактерицидным эффектом, а после этого образуются активные формы кислорода, уничтожающие болезнетворные организмы. Усиленная бактерицидная и фунгицидная активность нанопокрытия связана именно с образованием большого количества активных форм кислорода: свободные радикалы повреждают стенки микроорганизмов, в результате чего последние погибают.
«Мы синтезировали покрытия, состоящие из наночастиц нитрида бора, модифицированных ультрадисперсными наночастицами серебра или оксида железа. Носители нитрида бора обладают уникальной сферической формой с игольчатой поверхностью, позволяющей повреждать и разрывать мембрану бактериальных клеток при физическом контакте с ними. Сами покрытия выделяют ионы металлов в зависимости от концентрации.
Наши исследования показали, что при минимальной ингибирующей концентрации наночастицы оксида железа эффективно подавляют рост грамотрицательных бактерий кишечной палочки, а также золотистого стафилококка и пневмококков уже в течение первых трех часов. Покрытия с серебром в минимальной концентрации полностью инактивируют бактерии», — рассказала один из авторов исследования, сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСИС» Кристина Гудзь.
Оказалось, что такое покрытие уничтожает 100% исследованных микроорганизмов: бактериальные штаммы и грибок Candida parapsilosis погибают в течение суток после воздействия. По словам исследователей, саму сферическую и игольчатую, «лохматую» форму наночастиц нитрида бора умеют получать только они, ее уникальность зарегистрирована в виде российского ноу-хау «Способ получения наноструктурированных покрытий гексагонального нитрида бора с антибактериальным эффектом».
Следующим шагом станет работа по масштабированию разработки в качестве перевязочного материала для применения в травматологии и хирургии. Также в будущем планируется проведение исследований in vitro, причем в приоритете — проведение исследований на особо опасных штаммах бактерий и вирусов (Vibrio cholerae, вирус, вызывающий COVID-19, и др.).
Исследование выполнено в рамках стратегического проекта «Биомедицинские материалы и биоинженерия», поддержанного программой Минобрнауки России «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»). Результаты работы представлены в международном научном журнале Applied Surface Science.
Ученые Томского политехнического университета разработали антибактериальные кальций-фосфатные покрытия для титановых внутрикостных имплантатов. Их уже применяют при лечении пациентов в госпитале Бурденко.
Фото: биомедицинские изделия с покрытиями, разработанными в ТПУ
Ранее разработанные исследователями Томского политеха биоактивные и биоинертные покрытия для титановых имплантатов, применяемые в травматологии и ортопедии, прошли стадию доклинических испытаний. Эта одна из немногих подобных разработок, представленных на российском рынке. Модифицированные имплантаты по сравнению с существующими аналогами обладают лучшей биосовместимостью и коррозийной стойкостью, а также сокращают сроки восстановления костной ткани. Фундаментальные исследования проводились при поддержке программы «Приоритет 2030».
В прошлом году по приглашению коллег из госпиталя Бурденко разработка нашего коллектива была представлена на форуме «Армия-2022». Ранее у нас было реализовано несколько успешных совместных проектов. И эта инициативная работа получила логичное развитие – между госпиталем и ТПУ было заключено соглашение о сотрудничестве. Партнеры обозначили главную потребность –имплантаты с покрытиями, обладающими антибактериальными свойствами. Мы начали эту системную работу, результаты которой я представил уже на форуме «Армия-2023» в рамках круглого стола «Современные аспекты использования нанокомпозитных материалов в хирургии и травматологии». Доклад был признан лучшим на мероприятии научно-деловой программы форума «Армия, — говорит руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Сергей Твердохлебов.
Формирование покрытий на титановых имплантатах выполнялось методом микродугового оксидирования с применением импульсного источника питания. Подобная методика имеет ряд преимуществ – она более экономична и экологична, проста и обеспечивает высокую производительность. Кроме того, она позволяет получать пористые кальций-фосфатные и оксидные покрытия, обладающие высокой адгезионной прочностью, а также ускоряющие остеинтеграцию.
В рамках соглашения мы разработали несколько типов покрытий, провели успешные исследования на антибактериальную активность и на стволовых клетках. Сейчас остановились на одном из типов – кальций-фосфатных покрытиях с добавлением цинка и композита с антибактериальным препаратом. Дело в том, что для нужд госпиталя необходимо не просто кальций-фосфатное биоактивное покрытие для имплантатов. А имплантаты, на поверхность которых наносится слой, выполняющий функцию адресной доставки фармпрепаратов, в первую очередь, антибиотиков. В ходе экспериментов лучше всего себя показали именно биоактивные цинксодержащие кальций-фосфатные покрытия. Так, удалось добиться увеличения антибактериальной эффективности, сокращения количества бактерий определенных штаммов. Кроме того, исследование клеточной адгезии и пролиферативной активности продемонстрировало отсутствие токсического действия на клетки. И сейчас мы системно наносим подобные покрытия на различные изделия для пациентов госпиталя. Например, на индивидуальные имплантаты для замены тазобедренного, локтевого суставов, внутрикостные стержни и 3D-изделия, используемые для замещения недостающего участка кости, — поясняет руководитель проекта, уточняя, что покрытия также используются при лечении пациентов других медицинских учреждений Министерства обороны.
На достигнутых результатах политехники останавливаться не планируют. По словам ученых, необходимо проанализировать все полученные результаты и выбрать покрытия, наиболее подходящие для разных клинических случаев и разной микрофлоры. В перспективе это позволит создавать имплантаты, индивидуальные не только по форме и дизайну, но и по функции подавления той или иной бактерии.
Еще одно направление, в развитии которых, по словам руководителя проекта, заинтересованы партнеры из госпиталя Бурденко, это создание гибридных имплантатов, объединяющих 3D-индивидуальные титановые конструкции с модифицированной поверхностью и 3D-биорезорбируемые материалы, которые в настоящее время разрабатываются в лаборатории плазменных гибридных систем ИЯТШ.
По сути, сейчас в сотрудничестве с крупнейшими медицинскими центрами мы формируем отечественный рынок высокотехнологичных медицинских изделий. Уже полученные результаты и дальнейшие исследования позволят усовершенствовать антибактериальные покрытия для использования в хирургической практике даже при повышенном риске микробной контаминации, — подытоживает ученый.
