Исследовательская группа разработала инновационную поверхность имплантата, чувствительную к фототоку, для ускорения интеграции кости с имплантатом после ортопедической операции. Было показано, что передовое покрытие сокращает время интеграции до двух недель, удваивая скорость и ускоряя послеоперационное восстановление, а также снижая риск отторжения.

Группа под руководством профессора Кельвина Йенг Вай-квока с кафедры ортопедии и травматологии Школы клинической медицины Медицинского факультета LKS Гонконгского университета (HKUMed) в настоящее время изучает возможность применения этой технологии в операциях по замене искусственных суставов, включая часто выполняемые операции по замене коленного сустава в Гонконге.

Нарушение остеоиммунной микросреды в постимплантационный период может привести к расшатыванию имплантата, увеличению времени восстановления и увеличению послеоперационных осложнений, что в конечном итоге приведет к отторжению имплантата. Для решения этих проблем команда HKUMed разработала поверхность имплантата, реагирующую на ближний инфракрасный (NIR) свет, которая положительно влияет на реакцию макрофагов, эффективно снижая острое воспаление на решающем раннем этапе после имплантации.

Этот процесс включает генерацию фототока в ответ на свет NIR, который провоцирует повышенный приток кальция в макрофаги, создавая более благоприятную остеоиммунную микросреду. Это усиливает привлечение мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и способствует формированию костной ткани, тем самым ускоряя процесс интеграции кости с имплантатом. Результаты были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials .

Осложнения имплантации
Когда имплантат вводится в организм, он запускает сложную реакцию, известную как реакция на инородное тело (FBR). Этот сложный процесс включает в себя различные клеточные и молекулярные события, которые определяют эффективность интеграции кости с имплантатом.

Макрофаги, играющие ключевую роль в FBR, являются одними из первых иммунных клеток, которые реагируют, инициируя цепную реакцию, которая имеет решающее значение для интеграции кости с имплантатом. После введения эти иммунные клетки активируются и запускают острую воспалительную реакцию, высвобождая провоспалительные цитокины, такие как фактор некроза опухоли-альфа, чтобы способствовать привлечению мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и инициировать процесс регенерации кости.

Этот воспалительный процесс начинается сразу после имплантации и достигает пика в течение дня или двух. Однако в случае, когда саморегуляция иммунной системы хозяина нарушена из-за локального патологического состояния, всплеск воспаления может не быть вовремя скорректирован и может перейти в хроническое воспаление. Это может привести к ряду осложнений, включая образование фиброзных капсул, резорбцию кости , ферментативную деградацию имплантатов или задержку интеграции, что в конечном итоге приведет к отказу имплантата.

Тревожно, что более 10% неудач имплантации связаны с ослаблением импланта. Поэтому крайне важно восстановить сбалансированную среду между костью и имплантом, особенно после начальной фазы воспаления, чтобы предотвратить долгосрочное воспаление и обеспечить успешную интеграцию импланта.

Новое покрытие
Ортопедические имплантаты обычно покрываются диоксидом титана (TiO 2 ), который нетоксичен для костных клеток и бактерий, но имеет ограничения в своей чувствительности к NIR. Известный своей способностью проникать в биологические ткани, NIR широко используется в антибактериальной и противораковой терапии.

В этом исследовании исследовательская группа использовала гидроксиапатит (ГА), основной компонент костей и зубов, для разработки возбудимой поверхности, реагирующей на фототок.

Это новое покрытие генерирует фотоэлектрические сигналы при воздействии NIR, которые быстро уменьшают острое воспаление и активно регулируют дифференциацию макрофагов, создавая благоприятную иммунную среду, адаптированную к состоянию пациента, чтобы способствовать интеграции кости с имплантатом. Эта регуляция способствует привлечению мезенхимальных стволовых клеток для формирования кости , в конечном итоге ускоряя интеграцию кости с имплантатом, делая имплантаты более надежными.

В экспериментах с использованием модели животного с дефектом большеберцовой кости команда обнаружила, что интеграция кости с имплантатом была ускорена с 28 дней до всего лишь 14 дней, фактически удвоив скорость. Это знаменует собой первое исследование, в котором фототок используется для неинвазивной регуляции иммунных клеток . Ожидается, что это открытие будет способствовать разработке новых биоматериалов, способных дистанционно контролировать локальную иммунную среду.

«Наша команда успешно разработала сконструированную поверхность, которая неинвазивно модулирует дифференциацию макрофагов в соответствии с иммунным циклом и потребностями пациента», — сказал профессор Кельвин Йенг Вай-квок, возглавлявший исследование. «Эксперименты на животных доказали, что этот метод значительно ускоряет интеграцию кости с имплантатом, что приводит к двукратному увеличению скорости срастания».

«Мы стремимся расширить применение этой инженерной поверхности в ортопедических операциях в будущих исследованиях для улучшения восстановления пациентов. Это открытие оказывает глубокое влияние на уровень успешности ортопедической хирургии и открывает новое направление для решения клинических проблем, таких как отторжение имплантатов.