Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка пористых полимерных биоинженерных конструкций с биоактивным компонентом для тканевой инженерии с использованием технологий 3D печати.

Докладчик: Чердынцев Виктор Викторович

Должность: Старший научный сотрудник

Цель проекта:
Существует потребность регенеративной медицины в создании и использовании новых классов биосовместимых конструкций с высокими механическими характеристиками, выполненных из материалов, обладающих биологической активностью и способствующих восстановлению костных дефектов. Разработка пористых биоинженерных конструкций на основе биосовместимого полимера для тканевой инженерии с использованием технологий 3D печати позволит в будущем использовать их для восстановления костных дефектов путем осуществления регенерационного подхода. Цель реализуемого проекта заключается в создании пористых биоинженерных конструкций на основе биосовместимого полимера (полилактада) и нанокерамики (гидроксиапатита) для возмещения дефектов костной ткани с использованием технологий 3D печати. Разрабатываемые экспериментальные образцы биоинженерных конструкций должны обеспечить высокий уровень биосовместимости за счет использования высокочистых и биоактивных исходных материалов. Необходимые свойства для реконструкции дефектов костной ткани будут обеспечиваться за счёт создания пористого трехмерного каркаса, сочетающего в себе механическую прочность и биосовместимость. Использование метода 3D печати обеспечит возможность соответствия трехмерной конструкции анатомическим особенностям поврежденной ткани. В работе будут выявлены закономерности влияния геометрии пор в имплантате на его механические характеристики.

Основные планируемые результаты проекта:
Решение задачи восстановления дефектов костей предлагается осуществить путем применения синтетических имплантатов на основе биоинженерных конструкций. Такие трехмерные конструкции будут обладать высокой биосовместимостью и пористой структурой, содержащей биоактивные добавки и мезенхимальные клетки для стимулирования образования костной ткани.
Имплантаты, предназначенные для восстановления целостности костной ткани, должны выполняться из биосовместимого материала. 3D каркас, предназначенный для замены поврежденной или отсутствующей ткани, должен отвечать многочисленным требованиям и представлять собой нетоксичный, биосовместимый полимер. Он должен обладать необходимой прочностью, иметь пористую внутреннюю структуру. Помимо этого, в полимере должны присутствовать активные компоненты, стимулирующие интеграцию имплантата с окружающими тканями.
В качестве основы имплантата будет использован полилактид (ПЛА). Выбор ПЛА основан на высокой биосовместимости этого полимера и его хороших механических свойствах. Для формирования пористой трехмерной структуры будет использоваться технология 3D печати, заключающаяся в предварительном компьютерном моделировании архитектуры и послойной печати полимером изделия.
В работе будет уделено отдельное внимание процессам введения биоактивного наполнителя (ГАП) в полимерный каркаса, его равномерному распределению и адгезии. Будут разработаны методики повышающие возможности регулирования количества нанокерамики на поверхности пор.
Для активации репаративных процессов требуется присутствие привнесенных эндогенных мезенхимальных клеток реципиента. С учетом сказанного, для разработки высококачественных имплантатов, характеризующихся цитокондуктивностью, необходимо сочетание развитых клеточных технологий с материаловедческими для создания сложных биоинженерных конструкций, предназначенных для возмещения костных дефектов.
Предлагаемый механизм реконструкции костного дефекта должен быть реализован следующим образом: трехмерная основа костного имплантата будет служить носителем биоактивной нанокерамики и клеток, инициирующих репаративные процессы. Таким образом, пористая основа имплантата будет способствовать процессу восстановления кости.
Разработка собственной технологии получения пористых полимерных биоинженерных конструкций с биоактивным компонентом для тканевой инженерии с использованием технологий 3D печати позволить выйти на новый уровень создания имплантатов для протезов костей, решив целый ряд проблем, связанных с заменой локальных дефектов костной ткани, что дает возможность снизить количество ревизионных операций.
Эффективность разработанных методик и материалов должна быть подтверждена лабораторными испытаниями. Полученные результаты будут ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах производителях наукоемкой продукции и должны быть конкурентоспособными на мировом рынке. По итогам выполнения проекта будут разработаны рекомендации по возможности использования результатов проведенных работ в реальном секторе экономики.
Разрабатываемые рекомендации будут основаны на понимании (а) набора функциональных свойств, который может обеспечить потребность в разрабатываемых материалах; (б) возможности масштабирования разрабатываемых лабораторных технологий; (в) возможностей обеспечения экономичности процесса на уровне, необходимом для обеспечения платежеспособного спроса на изделия на основе разрабатываемых материалов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе выполнения ПНИ с использованием технологий 3D печати трехмерные нанобиоконструкции на основе биосовместимого каркаса, наполненного гидроксиапатитом и мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками млекопитающих, должны предназначаться для замещения дефектов и коррекции слабонагруженных костей, в частности, в челюстно-лицевой хирургии.
Результаты проведенной ПНИ могут быть использованы для проведения опытно-технологических работ, направленных на разработку технологии получения биоинженерной конструкции для восстановления дефектов костной ткани;
Полученные результаты могут быть использованы в различных областях медицины и ветеринарии в частности, в восстановительной хирургии, транспланталогии, травматологии и онкологии.
Конкурентными преимуществами разработанных трехмерных нанобиоконструкций будут их надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и биологических характеристик.
Разрабатываемые материалы будут иметь несомненные преимущества по остеокондуктивным свойствам, а также по технологии их изготовления и возможности получения материалов практически любой, сколь угодно сложной формы, без существенной усадки. Такие материалы выгодно отличаются экологичностью, так как не содержат токсичных примесей. Их использование должно позволить выйти на новый уровень осуществления восстановительных хирургических операций.
Предложенный подход создания трехмерных нанобиоконструкций позволит организовать выпуск конкурентоспособной продукции, удовлетворяющий современным требованиям.
Предлагаемые к освоению материалы будут иметь физико-механические и биологические свойства, превышающие таковые для отечественных аналогов и сравнимые с таковыми для зарубежных, что обеспечивает их патентноспособность. При этом ожидаемая стоимость предлагаемых материалов даже на этапе опытного производства будет примерно в два раза ниже цены конкурентов за счет применения технологий 3D печати, что обеспечит конкурентоспособность создаваемого товара, и будет способствовать импортозамещению.

Текущие результаты проекта:
Был проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации, а также проведен патентный поиск по теоретическим и экспериментальным путям создания пористых биоинженерных конструкций на основе биосовместимого полимера и нанокерамики для возмещения дефектов костной ткани с использованием технологий 3D печати. Были проведен выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач.
Были проведены структурные исследования порошка гидроксиапатита (ГАП), который предполагается к применению в качестве биоактивного компонента для наполнения биосовместимого каркаса. Структурные исследования включали в себя сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), рентгеноструктурный анализ и ИК-спектроскопию. Были также проведены гранулометрические исследования и анализ величины дзета-потенциала в жидкой среде по технологии динамического рассеяния света, а также проведено исследование удельной поверхности наночастиц ГАП по методу Брюнера – Эммета – Теллера.
Проводилось исследование четырех видов порошков ГАП: ГАП 85-УД (производства НПО «Полистом»); ГАП 85-УД после деформационной обработки; ГАП 85-УД, модифицированный поливиниловым спиртом (ПВС), после деформационной обработки; ГАП (Sigma-Aldrich, Lot 72490). Электронограммы, полученные методом ПЭМ, использовались для идентификации фаз, то есть был проведен качественный фазовый анализ нанопорошка ГАП, продемонстрировавшего характеристики, удовлетворяющие ТЗ.
Исходя из проведенных расчетов, средний диаметр наночастиц ГАП (Sigma-Aldrich) составил 31 нм согласно анализу удельной поверхности; согласно результатам ПЭМ наночастицы имели средний размер 90 нм (длина) и 20 нм (ширина), что удовлетворяет требованиям ТЗ, согласно которым средний размер частиц ГАП должен быть меньше 100 нм.
Был проведен рентгеноструктурный анализ, ИК-спектроскопия и ДСК порошков ГАП, удовлетворяющих ТЗ, до и после деформационного воздействия и после выдержки при температуре 180 °С, т.е. при наиболее критичных условиях, которые могли бы возникнуть в ходе этапов производства нанобиоконструкции при дальнейшем выполнении работ. Согласно результатам рентгеноструктурных исследований, как исходный, так и механообработанный порошок ГАП, то есть подвергнутый деформационной обработке, имеет 100 % фазы гексагонального гидроксиапатита Ca5(PO4)3(OH). Показано, что деформационная обработка не приводит к внесению примесей, а лишь ведет к измельчению кристаллитов в 2.5 раза, и что условия деформационной обработки не являются критичными для ГАП, которые могли бы негативно повлиять на структуру и биологическую совместимость вследствие формирования новых веществ. Следовательно, выбранные параметры механообработки могут быть использованы в дальнейшей работе для увеличения адгезии к ПЛА и более прочного связывания с полимерной матрицей для предотвращения выпадения из трехмерной нанобиоконструкции в ходе ее эксплуатации. Показано, что биоактивный компонент имеет стабильную структуру и свойства в исследуемом интервале температур (35 ºС – 200 ºС), а также показано, что ударные и ударно-сдвиговые нагрузки в ходе деформационной обработки путем механоактивации в шаровой мельнице планетарного типа не приводят к изменениям структуры ГАП. Следовательно, структурные особенности материала сохраняются при температурном и механическом воздействии в указанных условиях, что позволяет рекомендовать данный нанопорошок ГАП к эксплуатации и использованию при созданнии трехмерных нанобиоконструкций методом 3D печати. Так как предполагается использование порошка ГАП при невысоких температурах, в том числе до 180 °С, то можно рекомендовать проводить предварительную сушку порошка ГАП перед непосредственным использованием.
В процессе применения трехмерных нанобиоконструкций в живом организме возможна миграция разнообразных соединений, которые в определенных концентрациях могут оказывать негативное воздействие на ткани и среды организма. Поэтому была проведена оценка безопасности применения порошка ГАП, которая реализовалась в процессе санитарно-химических и токсикологических исследований. Показана безопасность применения исследованного порошка ГАП.