Инженерная команда разработала процесс для повышения безопасности имплантатов

Междисциплинарная группа исследователей из Университета Алабамы в Бирмингеме разработала новый плазменный процесс, который может ограничить распространение токсинов из имплантатов в кровоток пациента. Команда под руководством Вайноя Томаса, доктора философии, доцента кафедры машиностроения и материаловедения Школы инженерии UAB, недавно опубликовала результаты в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Авторы объясняют, что основной проблемой при разработке биомедицинских имплантационных материалов, модифицированных наночастицами, является стабильное закрепление металлических наночастиц на различных поверхностях, особенно полимерных.

«В течение многих лет учёные синтезировали металлические наночастицы в водных растворах с использованием как химических, так и биологических (экстракты растений) восстановителей, — сказал Томас. — Проблема закрепления металлических наночастиц особенно сложна в случае гидрофобных полимерных биоматериалов, к которым относится большинство полимерных биоматериалов».

Для решения этой задачи Томас и его команда разработали плазменный процесс под названием плазменное беспоковое восстановление (plasma electroless reduction, PER). Процесс PER позволяет исследователям осаждать наноструктуры золота и серебра на различных 2D и 3D поверхностях полимерных материалов, таких как целлюлозная бумага, полипропиленовые маски для лица и 3D-печатные полимерные каркасы.

«Хорошо известно, что существует проблема токсичности, вызванная быстрым и преждевременным высвобождением металлических наноструктур из материала имплантата в кровоток, — отметил Томас. — Эту проблему можно решить только путём обеспечения стабильного закрепления металлических наноструктур на поверхностях имплантатов. Это вдохновило нас на оптимизацию нашего процесса PER путём систематического и углубленного исследования концентрации металлического прекурсора с последующей ультразвуковой промывкой перед культивированием клеток in vitro».

В исследовании команде удалось успешно закрепить наночастицы серебра на поверхности 3D-печатных полимеров без быстрого высвобождения в окружающую среду. Экспертиза команды в области аддитивного производства также позволила им разработать меньшие по размеру 3D-каркасные пластины, которые помещаются в лунку 96-луночного планшета.

«Мы ожидаем, что разработка таких стабильных меньших 3D-каркасов обеспечит крупномасштабное и более надёжное тестирование in vitro, — сказал Томас. — Эта систематическая оптимизация создания однородных металлических наноструктур на 3D-каркасах с цитосовместимостью и потенциальными антибактериальными свойствами будет весьма актуальна и может оказать влияние на будущую разработку биосовместимых каркасов, особенно для лечения остеомиелита».

Разработка процесса PER заняла у команды два года, но это лишь один из нескольких аспектов, которые Томас изучает в отношении плазмы.

«Плазма, четвёртое состояние вещества, представляет собой частично ионизированный газ и является одним из наиболее экологичных методов синтеза металлических наночастиц в жидкой фазе, — сказал он. — Она обладает огромными возможностями в обработке материалов и для обеззараживания поверхностей с целью предотвращения распространения COVID-19 и других заразных заболеваний».