Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка композитных имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля.

Докладчик: Твердохлебов Сергей Иванович

Должность: доцент, доцент

Цель проекта:
1. Разработка экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области на основе каркаса из металлической сетки и высокопористого трехмерного пространственно-структурированного биорезорбируемого композитного материала, сочетающих способность к остеоинтеграции и противорецидивное действие у больных онкологического профиля. 2. Исследование местного и системного воздействия (доклинические медико-биологические исследования) экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля. 3. Разработка рекомендаций по производству и применению имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля.

Основные планируемые результаты проекта:
Перечень научных и научно-технических результатов
1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ.
2 Лабораторный технологический регламент изготовления имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области.
3 Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области.
4 План исследований экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля.
5 Программа и методики исследовательских испытаний физико-химических свойств экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области.
6 Программа и методики исследовательских испытаний медико-биологических свойств экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области.
7 Методика оценки способности экспериментальных образцов имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области обеспечить онкобезопасность.
8 Экспериментальные образцы имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области.
9 Рекомендации по производству и применению имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля.
10 Проект технического задания на выполнение ОКР по теме «Разработка биодеградируемых полимерных имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области».
11 Инструкция по стерилизации имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля.
12 Технико-экономическое обоснование разработки имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики.
Основные характеристики планируемых результатов
1 Разработанные в ходе выполнения ПНИ имплантаты должны предназначаться для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля;
2 Экспериментальные образцы имплантатов для реконструктивно-восстановительной хирургии черепно-лицевой области должны состоять из:
1) каркаса из металлической сетки (арматуры),
2) высокопористого трехмерного пространственно-структурированного биорезорбируемого композитного материала, интегрированного с каркасом;
3 Каркасы из металлической сетки должны быть изготовлены из материала, разрешенного для медицинского применения, и отвечать следующим требованиям:
- толщина не менее 300 мкм,
- наличие кальций-фосфатного изолирующего покрытия толщиной не менее 0,7 мкм,
- содержание кальция и фосфора в покрытии не менее 40 масс %;
4 Высокопористый трехмерный пространственно-структурированный биорезорбируемый материал должен быть изготовлен из биорезорбируемых полимеров, разрешенных для медицинского применения, и отвечать следующим требованиям:
- размер макропор не менее 40 мкм,
- наличие капилляров размером не менее 1 мкм,
- адгезионная прочность к материалу металлической сетки (арматуры) не менее 20 МПа;
5 Экспериментальные образцы имплантатов должны отвечать следующим требованиям:
- линейные размеры не менее 40×40×1,5 мм,
- эластичность, определенная по методу ИСО 1519, не менее 4 мм,
- пористость не менее 40%,
- краевой угол смачивания поверхности, подвергнутой плазменной обработке, не менее 40°,
- отсутствие общих токсикологических реакций по ГОСТ Р ИСО10993,
- обладать остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами – продуцировать рост костной ткани в тесте эктопического остеогенеза на лабораторных животных не менее чем в 70% случаев,
- противорецидивное действие,
- возможность низкотемпературной газовой стерилизации.
Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
Новым решением по сравнению с существующими аналогами является использование для создания разрабатываемых имплантатов биорезорбируемого композитного материала.
Технологическими новшествами является использование
- ионно-плазменных PVD методов для модифицирования полимерного материала и металлической сетки;
- оригинального метода формования высокопористого трехмерного пространственно-структурированного биорезорбируемого композитного материала - аэродинамического формования в турбулентном газовом потоке;
- метода лазерной абляции для получения мелкодисперстных порошков биологически активных наполнителей для композитного материала.
Предложенные методы соответствуют мировому уровню разработок в предметной области ПНИ.

Достижение заявленных результатов проводится на основе междисциплинарного подхода путем анализа современной научно-технической литературы, проведения патентных исследований и конструкторских работ, модернизации и закупки нового оборудования, разработки лабораторных регламентов, плана, программ и методик исследований с использованием методов растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифракции, ИК спектроскопии, энергодисперсионного анализа, газовой хроматографии, дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии, оптической гониометрии, полимеразной цепной реакции, оптической и флуоресцентной микроскопии, биохимического и иммуногистохимического анализа, жидкостной хроматографии.
Основной риск связан c процедурами, связанными с финансированием работ и закупками.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Имплантаты на основе гибридных материалов, состоящих из прочного каркаса (арматуры) и биоразлагаемого полимера или композиции соответствуют направлению долгосрочных приоритетов прикладной науки в России: биоразлагаемые и композитные материалы медицинского назначения.
Ежегодные потребности российского рынка в современных медицинских изделиях с применением биоразлагаемых полимеров в разных группах оцениваются на уровне: костные имплантаты (эндопротезы) – около 300 тыс. в год (27 операций на каждые 10 000 жителей РФ по
данным НИИ травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена); имплантаты, модифицированные с использованием биосовместимых и/или биоразлагаемых полимерных материалов, для одномоментного с оперативным вмешательством реконструктивно-восстановительного
хирургического лечения для реабилитации пациентов с опухолями в области головы и шеи в Сибирском федеральной округе – более 250 в год (150 млн. руб.); для восстановления грудной стенки и опорно-двигательного аппарата – более 200 в год (120 млн. руб.) (по данным НИИ онкологии СО РАМН, г. Томск).
Потребности в подобных имплантатах в масштабах страны, по крайней мере, в 5 раз больше.
Технологии интеграции биоразлагаемых композиций с металлической арматурой и насыщения их лекарственными препаратами, которые планируется разработать в ходе проекта, могут быть использованы при изготовлении перечисленных медицинских изделий.
Проект соответствует основному направлению технологической модернизации экономики России, раздел 4: «Медицинские технологии: диагностическое оборудование, медицинские изделия и материалы», для решения которых и будут применяться результаты проекта. Наиболее перспективные приложения технологий создания биосовместимых материалов относятся к медицине: наноструктурированные материалы и покрытия для создания имплантатов, работающих под нагрузкой; наноконтейнерные технологии векторной доставки лекарств; биосовместимые материалы, имитирующие ткани живых организмов.
Среди критических технологий РФ проект отвечает разделам «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов» и «Технологии биоинженерии». Поэтому результаты проекта имеют перспективы их использования в развитии достижений этих технологий.
Так как проект является междисциплинарным, планируемые по нему результаты окажут влияние на развитие научно-технических и технологических направлений в медицине, биоинженерии; позволят разработать новые технические решения для производства современных имплантатов, композитных и нетканых материалов широкого спектра применений.
Нанотехнологии и новые материалы – направление, способное радикально изменить жизнь человечества и внести огромный вклад в социально-экономическое развитие уже в недалеком будущем.
Работы по проекту выполняются совместно с зарубежными коллегами из Австралии и Германии, что безусловно положительно повлияет на развитие исследований в рамках международного сотрудничества.
Результаты ПНИ регулярно докладываются на научных мероприятиях и освещаются в СМИ, что способствует развитию системы демонстрации и популяризации науки.
Проводимая модернизация и закупка оборудования обеспечивает развития материально-технической инфраструктуры участников ПНИ.

Текущие результаты проекта:
Анализ научно-технической литературы показал, что на сегодняшний день одними из наиболее перспективных материалов, применяемыми для приложений тканевой инженерии, являются бирезорбируемые полимеры, такие как полимолочная кислота и поликапролактон. Их применение считается безопасностным, они имеют разрешения US Food and Drug Administration для клинического использования. Известно, что поверхность полимера во многом определяет такие биологические характеристики как поляризация клеток, изменение их морфологии,
пространственная ориентация компонентов цитоскелета, организация внутриклеточного транспорта. Одним из наиболее перспективных способов приданию поверхности необходимых свойств является обработка в плазме. Показано, что обработка в плазме увеличивает
шероховатость, способствует увеличению свободной энергии поверхности, а так же стимулирует прикрепление и пролиферацию различных клеток на поверхности. Для модификации полимерных материалов широкое распространение получили способы обработки в плазме коронного разряда (Corona Discharge), барьерного разряда (Dielectric Barrier Discharge ), радиочастотного и микроволнового разрядов (RF Discharge , MW Discharge ). Проведенный анализ с использованием баз данных SCOPUS и Web of science показал, что в научно-технической литературе на сегодняшний день отсутствует информация по модификации поверхности бирезорбируемых полимеров в плазме аномально тлеющего разряда, возникающей в процессе распыления твердых диэлектрических мишеней методом высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР). Данное обстоятельство ограничивает развитие метода ВЧМР как универсального способа модифицирования различных типов полимерных материалов и сужает выбор возможных методов модифицирования поверхности биодеградируемых полимеров для биомедицинских приложений. Обоснованным является применение метода ВЧМР для этих целей, так как он позволяет в широких пределах изменять состав плазмы, не только изменяя атмосферу в камере, но и включать в ее состав элементы распыляемой мишени. Это в свою очередь открывает новые возможности для управления функциональным состоянием клеток за счет изменения химического состава
поверхности. Для сравнительной оценки вариантов возможных решений были проведены экспериментальные исследования влияния плазмы на поверхность биорезорбируемых полимерных материалов с использованием разработанной в нашем коллективе установки.
Установка в соответствии с ПГ будет модернизирована. В вакуумной камере установки горизонтально размещен протяженный магнетрон, с мишенью размером 330×120×6 мм, питаемый ВЧ генератором с максимальной мощностью 4 кВт и рабочей частотой 13,56 МГц. Для
модифицирования поверхности PLLA использовали мишень, изготовленную из порошка гидроксиаппатита (Ca5(PO4)3(OH)). Модифицирование проводили в следующих режимах: предварительное давление в камере 5·10-5 Па, рабочее давление Ar – 3·10-1 Па удельная ВЧ мощность ~ 5 Вт/см2, ВЧ мощность 350 Вт расстояние между мишенью и пленкой 16 см, продолжительность модифицирования 30, 60, 150 сек. При выполнении работ показано, что воздействие плазмы аномально тлеющего разряда на поверхность биорезорбируемых полимеров (полимолочной кислоты и поликапролактона) приводит к увеличению шероховатости поверхности, увеличению свободной поверхностной
энергии, стимулирует прикрепление клеток линии ЕА. hy 926. Исследования методами рентгеновской дифракции (XRD) и инфракрасной спектроскопии (FITR) показали, что изменения рельефа поверхности полимолочной кислоты обусловлено процессами кристаллизации. Методом рентгеновской флюорисцентной спектроскопии (XRF) показано, что обработка в плазме изменяет химический состав поверхности, обогащая его ионами распыляемой мишени – кальцием (Ca), фосфором (P) и кислородом (O). Полученные результаты являются новыми. Анализ модифицирования металлической сетки 2 (каркаса имплантата, металлической арматуры) с целью формирования кальций-фосфатного
изолирующего покрытия позволил подготовить материалы для написания патента «Способ получения гибридного двухфазного биоактивного покрытия на имплантате».
По результатам опубликованы 1 статья в Materials Letters, 1 статьи в Advanced Materials Research, приняты 2 статьи к печати в Advanced Materials Research, процесс рецензирования проходит статья в Applied Surface Science.