Российские учёные превратили полиэтилен в материал для искусственных костей

Новый способ помогает воспроизводить сложное строение костной ткани.

Фото Global Look Press.

Структура сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полученного из частиц разного размера.

Сергей Лермонтов, Алексей Салимон, Федор Сенатов.

Исследователи из России протестировали новый метод формирования сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с пористой структурой, сообщает пресс-служба Российского научного фонда (РНФ).

Такой способ позволяет формировать в полиэтилене поры необходимого размера и воспроизводить сложное строение костной ткани.

Как считает автор исследования Алексей Салимон, сотрудник Сколковского института науки и технологий, сверхвысокомолекулярный полиэтилен – перспективный материал для восстановительной хирургии.

"Например, в комбинации с коллагеном и гидроксиапатитом – минералом, из которого наполовину состоит костная ткань, – из него можно создавать многослойные костно-хрящевые имплантаты", – отмечает Салимон.

На сегодняшний день СВМПЭ уже применяется в современных искусственных суставах наряду с металлами и керамикой.

Плотный полимер из длинных линейных цепочек полиэтилена известен своей прочностью и безопасностью для живых тканей. Кроме того, он не вызывает каких-либо реакций организма.

Благодаря этим свойствам материал можно использовать для создания различных типов имплантатов, например, искусственных костей.

Такой имплантат должен быть пористым, чтобы в него прорастали кровеносные сосуды и мигрировали костные клетки. Но получить сложные внутренние структуры в сверхвысокомолекулярном полиэтилене непросто. Та же трёхмерная печать не пригодится здесь, поскольку при плавлении СВМПЭ остаётся слишком вязким.

Эту проблемы решает технология смешивания полимера с поваренной солью, предложенная ранее в НИТУ МИСиС. Из готового изделия удаляется соль, растворяя её в обычной воде.

Структура сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полученного из частиц разного размера.

В ходе проекта РНФ химики и инженеры впервые изучили структурные особенности пористого материала, полученного таким способом, и доказали, что технология позволяет управлять размером пор.

В рамках эксперимента применялся уже готовый полиэтилен в виде порошка. Его и поваренную соль просеяли, разделив по размеру частиц на четыре фракции.

Затем порошок полиэтилена и соль смешали в соотношении 1:9 (такое высокое содержание соли было необходимо, чтобы получить полимер с большим объемом пор). Смеси спекали при температуре 180°C и под давлением формировали из них одинаковые цилиндры.

После этого соль удалили, в течение двух суток промывая изделия теплой водой.

Исследователи проверили полученный материал на прочность при сжатии и эластичность. Кроме того, они изучили его при помощи электронного микроскопа и подтвердили, что диаметр пор и толщина стенок между ними зависят от размера исходных частиц.

Что важно, механические свойства материалов оказались практически одинаковыми независимо от размера пор.

Модуль упругости Юнга, который описывает способность материала сопротивляться растяжению, у пористого полимера ожидаемо оказался значительно ниже, чем у плотного.

Его значения находятся в диапазоне от 1 до 2,5 мегапаскалей, что соответствует характеристикам мягких тканей, а не костей.

В таких условиях клетки кости не могут нормально функционировать, поскольку им требуется более твердая подложка. Но в комбинации с другими материалами из полиэтилена вполне возможно создать искусственную кость, которую постепенно заполнят клетки костной ткани.

"Пористый СВМПЭ может быть идеальной основой для сложных экспериментов с клеточными культурами", – подчёркивает Сергей Лермонтов, руководитель проекта РНФ, заведующий лабораторией новых синтетических методов Института физиологически активных веществ РАН.

По его словам, клетки, выращенные на плоской поверхности, ограничены в росте и взаимодействиях, а на 3D-основе можно создать близкие к существующим в живом организме условия.

"Мы уже провели эксперименты по выращиванию на сверхвысокомолекулярном полиэтилене клеток злокачественной опухоли нервной системы человека – нейробластомы", – добавляет он.

В исследовании участвовали ученые из Сколковского института науки и технологий, Института физиологически активных веществ РАН и Национального исследовательского технологического университета "МИСиС".

Результаты эксперимента опубликованы в журнале Materials. Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда.

Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о создании сибирскими учёными аналога костной ткани человека.