Биокерамика для производства имплантатов и регенерации костных дефектов разработана международной группой материаловедов в Центре композиционных материалов НИТУ «МИСиС». Биоматериалы, полученные из сельскохозяйственных отходов — рисовой шелухи — показали отличную биоминерализацию и совместимость с клетками крови млекопитающих. Результаты работы были опубликованы в международном научном журнале Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications.
Легкодоступность, дешевизна и естественное происхождение сельскохозяйственных отходов мотивируют ученых превращать их в ценный продукт. Шелуха риса, например, богата диоксидом кремния. Высокое содержание кальция в яичной скорлупе делает ее конкурентоспособным сырьем для производства биоматериалов. Эта стратегия переработки отходов в продукт с добавленной стоимостью для создания биомедицинских приложений является экономически выгодной и при этом экологически чистой.
Команда молодых материаловедов Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» использовала сырую яичную скорлупу и рисовую шелуху — отход сельскохозяйственного производства — для изготовления трех различных видов силикатной биокерамики — диопсида, волластонита и форстерита. Материалы отличаются наличием разных химических элементов. Было показано, что химические составляющие исходного сырья и растворение в физиологической среде играют ключевую роль в формировании биологической активности материала. Именно от биоактивности материала зависит успешность операций в имплантологии.
«Наше исследование направлено на решение актуальной во всем мире задачи переработки биоотходов в материалы и изделия, в том числе, для использования в медицине», — пояснила соавтор разработки, студентка программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Инна Булыгина.
Исследователи также подчеркнули, что заменить основные химические элементы, необходимые для ускорения регенерации костей, в синтетических биоматериалах — очень сложно. В своей работе ученые использовали биогенные сельскохозяйственные отходы, которые естественным образом «унаследовали» ионы натрия, магния, калия, кремния и других. Такой природоподобный подход может помочь в увеличении скорости остеогенеза — формирования костной ткани взамен утраченной при травмах и заболеваниях.
«Наилучшие результаты показал диопсид (CaMgSi2O6) — он показал самую высокую гемосовместимость при всех концентрациях (62,5, 125, 250 мкг / мл) даже после 24 часов инкубации. Инкубация мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) мышей с диопсидом в целом не приводит к увеличению уровня апоптоза в культуре клеток по сравнению с контролем, — сказал один из авторов, постдок НИТУ «МИСИС» Раджан Чоудхари.
«Мы предложили простой метод извлечения чистого диоксида кремния из рисовой шелухи. В процессе испытаний мы показали, что полученный таким способом материал не ухудшает жизнеспособность контактирующих с ним клеток», — добавил руководитель iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС», к.ф.-м.н Фёдор Сенатов.
В настоящее время разработчики пошли дальше и изучают возможность воспроизведения архитектуры нативных тканей путем изготовления скаффолдов с использованием аддитивного производства.