Покрытие-биомиметик для титановых имплантов с белковыми нанокластерами увеличивает срок службы искусственных суставов

Лаборант Технологического института Джорджии Келли Тэмплман (Kellie Templeman) (слева) и бывший аспирант Тим Петри (Tim Petrie) демонстрируют кусок титана, покрытого полимером, усиливающим образование костной ткани вокруг металла после имплантации. (Фото: Georgia Tech/Gary Meek)

Ученые разработали усовершенствованное покрытие для титановых имплантов, используемых при замене суставов. Новое покрытие может усилить связь между имплантом и собственной костью пациента. Более прочные связи – созданные с помощью воздействия на сигналы, используемыми собственными клетками организма для стимуляции роста – могут значительно продлить срок службы импланта.

Импланты, покрытые «букетом цветов» - кластерами инженерного белка, имитирующего собственный белок организма, связывающий клетки – фибронектин – создают на 50 процентов больший контакт с окружающей костью, чем имплантаты, покрытые одной или двумя цепочками белка. Покрытые кластерами импланты закрепляются на месте более чем вдвое надежнее, чем сделанные из «лысого» титана, то есть такие, как используются сейчас в качестве искусственных суставов.

Исследователи считают, что созданный материал-биомиметик улучшает рост кости вокруг импланта и усиливает прикрепление и интеграцию импланта в кость. Эта работа впервые показывает, что биоматериалы, представляющие собой кластеризованные в наномасштабе биологические последовательности, усиливают сигналы, способствующие адгезии клеток. Такое усиление сигналов приводят к повышению уровней дифференциации клеток кости в стволовых клетках человека и обеспечивает лучшую интеграцию имплантов из биоматериала в кость.

«Создав кластеры инженерного фибронектина, мы смогли получить усиленный сигнал для привлечения интегринов – связывающихся с фибронектином рецепторов, направляющих и усиливающих образование кости вокруг импланта», - говорит Андрес Гарсия (Andrés García), профессор Школы инженерии Вудраффа Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) и Института биоинженерии и биологических наук Пети (Petit Institute for Bioengineering and Bioscience).

Подробная информация о новом покрытии представлена в журнале Science Translational Medicine.

Профессор Технологического института Джорджии Дэвид Коллард (David Collard) (слева) и Андрес Гарсия (Andrés Garcia). (Фото: Georgia Tech/Gary Meek)

Искусственные импланты для полной замены коленных или тазобедренных суставов служат обычно около 15 лет, пока их компоненты не изнашиваются или не разрушаются. Для многих относительно молодых пациентов это означает вторую операцию для замены первого искусственного сустава. Учитывая, что 40 процентов из 712000 пациентов, перенесших полную замену коленных и тазобедренных суставов в 2004 году только в США, составляют люди в возрасте от 45 до 64 лет, увеличение срока использования титановых суставов приобретает особое значение.

В своем исследовании профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии Дэвид Коллард (David Collard) и его студенты очень плотно покрыли титан клинического класса полимерными цепочками, создав нечто подобное щетинкам зубной щетки. Затем Гарсия и Тим Петри (Tim Petrie) – бывший аспирант Технологического института Джорджии, а сейчас постдокторант Вашингтонского университета - модифицировали полимер таким образом, чтобы получить трех- или пятицепочечные самоорганизующиеся кластеры инженерного фибронектина, содержащего аминокислотную последовательность (аргинин-глицин-аспарагиновая кислота), с которой связываются интегрины.

Исследование, проведенное в Технологическом институте Джорджии, показывает, что покрытие титановых имплантов для замены суставов кластерами биомиметика укрепляет связь между имплантом и костью пациента. (Фото: Georgia Tech/Gary Meek)

Чтобы оценить возможности покрытого полимером титана in vivo, ученые просверлили круглые отверстия диаметром в два миллиметра в бедренной кости крысы и поместили в них крошечные титановые цилиндры. Они испытали покрытия, содержавшие единичные белковые цепочки, а также двух-, трех- и пятицепочечные кластеры инженерного белка фибронектина.

«Чтобы изучить роль этих поверхностей в стимуляции роста кости, мы количественно оценили остеоинтеграцию, или рост кости вокруг импланта, и прочность прикрепления импланта к кости», - объясняет Гарсия.

Анализ состояния поверхности раздела имплант-кость спустя четыре недели выявил 50-ти процентное увеличение количества контактов между костью и имплантом, покрытым трех- и пятицепочечными кластерами, по сравнению с имплантами, покрытыми одиночными цепочками. Эксперимент также показал 75-ти процентное увеличение количества контактов трех- и пятицепочечных кластеров по сравнению со стандартными клиническими имплантами для замены суставов из «лысого» титана, применяющимися в настоящее время.

Исследователи также протестировали фиксацию имплантов, измерив силу, необходимую для того, чтобы удалить имплант из кости. Импланты, покрытые трех- и пятицепочечными кластерами фрагмента инженерного фибронектина, демонстрировали 250-ти процентное усиление механической фиксации по сравнению с покрытиями с одной и парой цепочек и 400-процентное усиление по сравнению с покрытием из не модифицированного полимера. Покрытия с трех- и пятицепочечными кластерами также показали двукратное увеличение силы, необходимой для удаления импланта, по сравнению с титаном без покрытия.

Работа частично финансировалась Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health).

По материалам

Better Joint Replacements: Titanium Coating with Protein “Flower Bouquet” Nanoclusters Strengthens Implant Attachment

Оригинальная статья Multivalent Integrin-Specific Ligands Enhance Tissue Healing and Biomaterial Integration

Источник: NanoNewsNet