Ученые из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» совместно с коллегами из России, Чехии и США разработали новый антибактериальный материал. Он быстро подавляет рост и распространение патогенных бактерий, не оказывая угнетающего действия на здоровые клетки. Предполагается что материал будет использован для имплантатов.

Предотвращение бактериальной колонизации имплантатов на ранних стадиях — одна из ключевых задач в хирургии. На практике применяют четыре основных стратегии (и соответствующие им типы антибактериальных поверхностей): высвобождение бактерицидов, антиадгезия, чувствительность к рН и контактное уничтожение. 

На этот раз ученые стремились определить антибактериальную эффективность различных типов бактерицидных ионов и выявить возможный вклад поверхностных микрогальванических эффектов, возникающих из-за разности потенциалов на неоднородных поверхностях. 

Исслеователи рассмотрели пять типов пленок TiCaPCON (титан-кальций-фосфор-углерод-кислород-азот) с наночастицами Ag, Zn, Pt, Ag + Zn и Pt + Zn нанесенными на поверхность. 

«Мы имплантировали в матрицу TiCaPCON, ионы платины и железа. В результате на поверхности покрытия образовались наночастицы металлов, размером несколько нанометров. Между наночастицами и керамической матрицей существует разность потенциалов порядка 60 мВ. При контакте с поверхностью материала мембрана бактерии может быть разрушена», — поясняет главный автор исследования Виктор Пономарев.

Ag-модифицированная пленка продемонстрировала выраженный антибактериальный эффект при очень низкой концентрации ионов Ag 0,11 частей на миллиард в физиологическом растворе — эффект был достигнут уже после 3 часов погружения в бактериальную культуру Escherichia coli (E.coli). 

Zn-содержащий образец также продемонстрировал заметный антибактериальный эффект против штаммов E. coli и Staphylococcus aureus (S. aureus), однако концентрация ионов Zn была на 2 порядка выше (15 частей на миллиард) по сравнению с ионами Ag. 

Присутствие наночастиц Ag ускоряло выщелачивание иона Zn из пленки TiCaPCON-Ag-Zn, но синергии от одновременного присутствия двух бактерицидных компонентов не наблюдалось. 

После инкубации образцов с NP, Ag, Zn и Ag + Zn в суспензиях E.coli и S. aureus в течение 24 и 8 часов соответственно все бактериальные клетки были полностью инактивированы. 

Pt-содержащая пленка демонстрировала очень низкое высвобождение ионов Pt, и, следовательно, вкладом этого типа ионов в общий бактерицидный эффект можно было пренебречь. Результаты электрохимических исследований и силовой микроскопии с зондом Кельвина показали, что между Pt NP и пленкой TiCaPCON возникли микрогальванические пары, но заметного антибактериального эффекта в отношении штаммов E.coli или S. aureus не наблюдалось. 

Все ион-модифицированные образцы обеспечивали хорошее прикрепление, распространение и пролиферацию остеобластных клеток и поэтому были признаны нетоксичными для организма. Кроме того, пленки TiCaPCON с наночастицами Ag, Pt и Zn на их поверхности продемонстрировали хорошие остеокондуктивные характеристики.

В настоящее время исследователи планируют испытания материала на животных моделях.