Сегодня в медицине идет активный поиск пористых материалов для костных имплантантов (biomaterials), которые должны быть биоактивными и прочными. Размер пор в таких материалах существенен и должен составлять около 100 мкм, чтобы кровеносные сосуды могли прорастать в имплантант. Прочность наиболее подходящих по этому параметру пористых материалов, иначе называемых "арочными" или "каркасными" структурами, оставляет желать лучшего. Для каркасных структур на основе коллагена она составляет 0,034 МПа, а для пористых фосфатов кальция – около 5 МПа. Прочность пористой человеческой кости варьируется от 10 МПа до 50 МПа.
Английские ученые сумели создать макропористые структуры из шелка и фосфата кальция, обладающие как биоактивностью, так и хорошими прочностными свойствами.
Эти структуры были получены следующим способом. Сначала была проведена заморозка геля на водной основе из недеградированных фиброинов (fibroins) шелка, содержащего фосфаты. Затем замороженный гель сначала пропитали водным раствором хлорида кальция при температуре 37 ºС и рН 9, а потом обработали этанолом. Структурирование высушенного и минерализованного материала происходило за счет образования в нем (сшивания) поперечных связей с помощью гексаметилена диизоцианата. Эта последняя стадия синтеза делает материал твердым и стабильным, т.е. пригодным для использования в качестве костного имплантанта.
Такой метод синтеза позволил создать высокопрочный макропористый материал. Добавление фосфата в раствор фиброина привело к формированию непрозрачного геля с повышенной вязкостью. В таком геле легко образуется макропористая структура, темплатами для которой являются кристаллы льда. Формирование макропор требует образования относительно больших ледяных кристаллов, что было достигнуто благодаря заморозке при оптимальной температуре 12ºС.
Казалось бы, что заморозка фиброинного геля должна вызывать дегидратацию и агрегацию белка шелка, однако при данных условиях синтеза формирование β-складчатой конформации белка (B-sheet) и сопутствующая ей гидрофобность ограничены. Таким образом, минерализация раствором кальция проходит как на поверхности, так и внутри белка. Для закрепления полученной морфологии и интегрированной минеральной фазы в материале его обрабатывают этанолом. Эта процедура вызывает образование β-складчатой конформации белка, которая на этот раз не мешает, а, наоборот, помогает процессу синтеза, закрепляя захваченные кристаллиты фосфата кальция (гидроксиапатита).
По данным электронной микроскопии размер пор составляет около 50-100 мкм. Плотность полученного композита на основе белка и фосфата кальция составляет около 70%.
Механические испытания показали, что средняя прочность образцов составляет около 14 МПа, что в три раза больше прочности аналогичных каркасных структур на основе коллагена.
Биологические испытания in vitro показали, что в присутствии полученного композита рост колонии клеток костного мозга человека происходит в пять раз быстрее, чем в его отсутствие. В испытаниях in vivo шелковый композит проявил хорошую биоактивность: на имплантированном материале происходило довольно быстрое осаждение остеобластов.
Данный композит может найти большое применение в медицине благодаря его биоактивности и прочностным свойствам. Работа «Bone-like Resorbable Silk-based Scaffolds for Load-bearing Osteoregenerative Applications» была опубликована в Advanced Materials.
