Разработка и характеристика биоактивного композита на основе полимолочной кислоты

Цель исследования. Разработка и экспериментальная характеристика биоактивного композита на основе полимолочной кислоты, модифицированного гидроксиапатитом и гентамицином, для имплантационных применений.

Материалы и методы. Композиты на основе PLA получали методом растворного смешения с последующим горячим прессованием с варьированием содержания гидроксиапатита (0 40 мас. %). Микроструктуру и распределение неорганического наполнителя анализировали методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеновского анализа. Механические свойства оценивали в испытаниях на изгиб в режиме трёхточечного нагружения с расчетом прочности при изгибе и модуля Юнга в соответствии со стандартом ISO 178:2019. Антимикробную активность оценивали in vitro методом диффузии в агар в отношении стандартных тест-штаммов Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Candida albicans .

Результаты и обсуждение . Показано, что разработанный подход к получению композитов обеспечивает формирование однородной микроструктуры с дисперсным распределением гидроксиапатита в полимерной матрице без выраженной макроагломерации. Увеличение содержания гидроксиапатита приводит к закономерному снижению прочности при изгибе при одновременном умеренном росте модуля Юнга, что отражает компромисс между жесткостью и сопротивлением изгибным деформациям, характерный для дисперсно-наполненных полимерных систем. Композиты, содержащие гентамицин, демонстрируют выраженную антимикробную активность в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Выводы. Результаты исследования подтверждают потенциал PLA-композитов, модифицированных гидроксиапатитом и гентамицином, в качестве функциональных биоразлагаемых материалов для имплантационных применений в зонах с умеренной эксплуатационной нагрузкой, сочетающих механическую поддержку, биоактивность и локальную антимикробную защиту.

1. World Health Organization. Musculoskeletal conditions. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/musculoskeletal-conditions

2. Gu D., Ou S., Liu G. Global burden of road injuries and their attributable risk factors from 1990 to 2021: A systematic analysis for the global burden of disease study 2021. Prev. Med. Rep. 2025; 53: 103051. https://doi.org/10.1016/j.pmedr.2025.103051

3. Lee S. S., Du X., Kim I., Ferguson S. Matter . J. Scaffolds for bone-tissue engineering. 2022; 5 (9): 2722-2759. https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.003

4. Davis R., Singh A., Jackson M..J, Coelho R.T., Prakash D., Charalambous C.P., Ahmed W., da Silva L.R.R., Lawrence A.A. A comprehensive review on metallic implant biomaterials and their subtractive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2022; 120 (3-4): 1473-1530. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08770-8

5. Amirtharaj Mosas K.K., Chandrasekar A.R., Dasan A., Pakseresht A., Galusek D. Recent Advancements in Materials and Coatings for Biomedical Implants. Gels . 2022; 8 (5): 323. https://doi.org/10.3390/gels8050323

6. World Health Organization. Surgical site infection. https://www.who.int/teams/integrated-health-services/infection-prevention-control/surgical-site-infection

7. Durand F., Berthelot P., Cazorla C., Farizon F., Lucht F. Smoking is a risk factor of organ/ space surgical site infection in orthopaedic surgery with implant materials. Int. Orthop. 2013; 37 (4): 723727. https://doi.org/10.1007/s00264-013-1814-8

8. Magalhães J.M., Zambelli R., Oliveira-Júnior O., Avelar N.C.P., Polese J.C., Leopoldino A.A.O. Incidence and associated factors of surgical site infection in patients undergoing foot and ankle surgery: a 7-year cohort study. Foot (Edinb). 2024; 59: 102092. https://doi.org/10.1016/j.foot.2024.102092

9. Heinz N.R., Clement N.D., Young R.N., Duckworth A.D., White T.O., Molyneux S.G. Rate and factors associated with surgical site infection following aseptic revision fixation of orthopaedic trauma injuries. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2023; 33 (8): 3511-3517. https://doi.org/10.1007/s00590-02303573-3

10. Liu H., Wang Y., Xing H., Chang Z., Pan J. Risk factors for deep surgical site infections following orthopedic trauma surgery: a meta-analysis and systematic review. J. Orthop. Surg. Res. 2024; 19 (1): 811. https://doi.org/10.1186/s13018-024-05299-2

11. da Silva D., Kaduri M., Poley M., Adir O., Krinsky N., Shainsky-Roitman J., Schroeder A. Biocompatibility, biodegradation and excretion of polylactic acid (PLA) in medical implants and theranostic systems. Chemical Engineering Journal . 2018; 340: 9-14. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.01.010

12. Hussain M., Khan S. M., Shafiq M., Abbas N. A review on PLA-based biodegradable materials for biomedical applications. Giant . 2024; 18: 100261. https://doi.org/10.1016/j.giant.2024.100261

13. Yang Z., Yin G., Sun S., Xu P. Medical applications and prospects of polylactic acid materials. iScience . 2024; 27 (12): 111512. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.111512

14. Khrustaleva A., Khrustalev D., Yedrissov A., Rusyaeva P., Savelyev A., Kiikbayev M., Perepelitsyna K., Kazantsev V. Bioactive Polymer Composites for 3D-Printed Bone Implants: A Systematic Review. Polymers (Basel). 2026; 18 (3): 397. https://doi.org/10.3390/polym18030397

15. Liu W., Cheong N., He Z., Zhang T. Application of Hydroxyapatite Composites in Bone Tissue Engineering: A Review. J. Funct. Biomater. 2025; 16 (4): 127. https://doi.org/10.3390/jfb16040127

16. Subramaniyan M., Karuppan S., Helaili S., Ahmad I. Structural, mechanical, and in-vitro characterization of hydroxyapatite-loaded PLA composites. Journal of Molecular Structure . 2024; 1306: 137862. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2024.137862

17. Rozis M., Evangelopoulos D.S., Pneumaticos S.G. Orthopedic Implant-Related Biofilm Pathophysiology: A Review of the Literature. Cureus . 2021; 13 (6): e15634. https://doi.org/10.7759/cureus.15634

18. Rozis M., Evangelopoulos D.S., Pneumaticos S.G. Orthopedic Implant-Related Biofilm Pathophysiology: A Review of the Literature. Cureus . 2021; 13 (6): e15634. https://doi.org/10.7759/cureus.15634

19. Kennedy D.G., O’Mahony A.M., Culligan E.P., O’Driscoll C.M., Ryan K.B. Strategies to Mitigate and Treat Orthopaedic Device-Associated Infections. Antibiotics (Basel) . 2022; 11 (12): 1822. https://doi.org/10.3390/antibiotics11121822

20. Mohd Ghazali F., Syahrom A. Mechanical behaviour of cancellous bone: compression and three-point bending test. Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences . 2022; 18: 295-303. https://doi.org/10.11113/mjfas.v18n3.2274