Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов создания биосовместимых полимерных нанокомпозитов с программируемыми характеристиками для эндопротезирования крупных суставов

Докладчик: Калошкин Сергей Дмитриевич

Должность: Researcher of the Dept. of Material Physics, Basque Country University, Spain, Директор ИФХМ, директор института, директор ИНМиН, НИТУ "МИСиС", директор института

Цель проекта:
Разработка новых композиционных материалов на основе высокопрочных полимеров является фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен настоящий проект. Полимер и композиционные материалы относятся к приоритетным направлениям развития науки и технологий и входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Цель НИР состоит в разработке принципов создания биосовместимых полимерных нанокомпозитов с программируемыми характеристиками для эндопротезирования крупных суставов. В результате выполнения НИР будут созданы научные основы формирования биосовместимых материалов на полимерной основе, армированных дисперсными углеродными наполнителями, имеющих ориентированную структуру. Будут разработаны подходы и способы получения композиционных полимерных элементов эндопротезов крупных суставов, обеспечивающие контролируемое достижение задаваемых функциональных характеристик эндопротезов.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом выполнения проекта будет являться разработка технологии получения материала для нагруженных узлов трения с программируемыми свойствами. В настоящей ПНИЭР решение задачи протезирования крупных суставов предлагается осуществить путем применения биоинертных синтетических имплантатов. В работе предлагается подход, базирующийся на улучшении физико-механических и/или трибологических характеристик полимерных элементов. Возможные в этом направлении решения ограничены тем, что по сочетанию физико-механических свойств и биосовместимости, согласно стандарту ИСО 5834, для изготовления нагруженных элементов имплантатов разрешен единственный полимерный материал - сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Поэтому единственным способом улучшения функциональных характеристик полимерных деталей имплантантов является создание композиционных материалов на основе СВМПЭ, при условии сохранения ими биосовместимости на уровне матричного материала. Заявителем будет использоваться ранее разработанная технология в НИТУ «МИСиС», заключающаяся во введении в СВМПЭ с углеродного нанонаполнителя с использованием твердофазного смешения в мельницах планетарного типа. Этот метод имеет ряд преимуществ перед жидкофазными методами смешения, прежде всего – по простоте реализации и воспроизводимости результатов. В настоящем проекте в качестве наполнителей предлагается использовать различные углеродные материалы, что целесообразно, прежде всего, с точки зрения химической и механической стойкости. Будет проведено введение углеродных нанотрубок и фуллеренов в матрицу СВМПЭ. Варьируя степень наполнения полимерных матриц и количественное соотношение различных форм углеродных материалов, можно контролируемо менять физико-механические и трибологические характеристики полимерных элементов эндопротеза. Дополнительное модифицирование механических свойств будет проводиться за счет ориентации структуры полимерной матрицы.Создание ориентированной надмолекулярной структуры в полимерах, при которой бы максимальное число макромолекул разрушалось по основной, наиболее прочной связи позволит значительно улучшить прочностные свойства разрабатываемых материалов.
Биосовместимый полимерный нанокомпозит с программируемыми характеристиками не будет иметь аналогов на российском рынке из-за выдающихся в сравнении с традиционными материалами механическими и трибологическими свойств, в том числе с не наполненным СВМПЭ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые материалы в первую очередь предполагается использовать в производстве эндопротезов тазобедренного и коленного суставов. Результаты проведенной ПНИЭР могут быть использованы для проведения опытно-технологических работ, направленных на создание технологии серийного производства нанокомпозиционного материала на основе СВМПЭ с ориентированной упрочненной структурой. Полученные результаты могут быть использованы в различных областях медицины и ветеринарии в частности, в восстановительной хирургии, травматологии. Конкурентными преимуществами разработанного материала узла трения будет его надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и трибологических характеристик. Результатом внедрения предлагаемых разработок будет обеспечение выпуска отечественных эндопротезов имплантатов по качеству выше, а по ценам в 1,3-2 раза ниже импортных аналогов. В соответствии с международными стандартами качества зарубежные и отечественные производители эндопротезов устанавливают гарантийный срок – 10 лет, тогда как разрабатываемая технология позволит увеличить гарантийный срок имплантатов до 25 лет. 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, что обеспечит конкурентоспособность создаваемого товара, и будет способствовать импортозамещению.
Основными потребителями результатов научных исследований являются производители эндопротезов, научно-исследовательский институты травматологии и ортопедии, лечебные учреждения Минсоцздравразвития РФ и систем здравоохранения стран СНГ.
В рамках соглашения о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований, заключенном участником конкурса с индустриальным партнером, ЗАО "ТРЕК-Э Композит", на базе создаваемой технологии предполагается создать и внедрить в производство ацетабулярный компонент узла трения эндопротеза тазобедренного сустава.

Текущие результаты проекта:
Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
Разработаны основные требования к полимерным композиционным вкладышам эндопротезов.
Проведены экспериментальные исследования процесса формирования ориентированной структуры в полимерном материале.
Разработана методика получения полимерного материала с ориентированной структурой и получены экспериментальные образцы.
Проведены физико-механические, трибологические испытания экспериментальных образцов полимерного материала с ориентированной структурой.
Проведены структурные и теплофизические исследования экспериментальных образцов.
Подведены итоги этапа и подготовлен промежуточный отчет о ПНИЭР.