Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.575.21.0088

Руководитель: Чердынцев Виктор Викторович

Должность руководителя: с.н.с.

Докладчик: Сенатов Фёдор Святославович, н.с.

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
трехмерная печать, протез, биоинженерная конструкция, мезенхимальные стромальные клетки, костная ткань, пла, пористый каркас, имплантат, биокерамика, репаративная хирургия

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.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом являются пористые трехмерные биоинженерные конструкции на основе биорезорбируемого каркаса, наполненного гидроксиапатитом и мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками млекопитающих, для замещения малых дефектов слабо нагруженных костей.
Конкурентными преимуществами разработанных трехмерных конструкций будут их надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и биологических характеристик. Метод формирования конструкций подразумевает применение наиболее простого и дешевого метода послойного наплавления полимера. Особенностью и преимуществом предложенного биосовместимого материала ПЛА/ГАП является наличие эффекта памяти формы, который можно применять для обеспечения плотной установки пористого имплантата в дефект.
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.
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:
Разработан материал биорезорбируемого каркаса и методика его изготовления. Биорезорбируемой полимерной матрицей служит полилактид (ПЛА), который в процессе гидролиза в организме разлагается с образованием молочной кислоты. В полимерную матрицу вводится наноразмерный гидроксиапатит (ГАП) - кальцийфосфатная керамики, идентичная по своему составу костной ткани. Переход частиц ГАП к наноразмеру может усиливать биоактивность материала. Из композиционного материала ПЛА/15%ГАП сформирована методом шнековой экструзии нить (филамент).
Проведено построение 3D-модели имплантата, представляющего собой пористый каркас со средним размером пор 400 мкм и объемной пористостью 50 %. Сформирована связанная структура с сетью пересекающихся каналов пор, что может способствовать прорастанию тканей в трех направлениях. Микроразмерные поры обеспечивают миграцию клеток, формирование сосудов и диффузию питательных веществ и кислорода, обеспечивая остеокондуктивность. Важным плюсом конструкции также является большее количество рёбер жесткости, что придает биосовместимого каркасу большую прочность.
Исследован процесс послойной 3D-печати пористого биосовместимого каркаса из биорезорбируемого материала ПЛА/15%ГАП. Определены оптимальные режимы и параметры 3D-печати. Проведена разработка методики регулирования количества гидроксиапатита на поверхности биосовместимого каркаса. Проведены испытания физико-механических свойствэ кспериментальных образцов биосовместимого каркаса, а также испытания по структурным параметрам. Предел прочности пористой конструкции составил более 45 МПа, а модуль Юнга более 2.1 ГПа, что существенно превышает значения, заданные в ТЗ. В ходе послойной 3D-печати формировался микрорельеф, который может положительно сказаться на повышении адгезии клеток.
Проведена оценка характера реакции окружающих тканей реципиента на внедрение экспериментальных образцов биосовместимого каркаса при гетеротопной трансплантации. Показано отсутствие развития острой реакции отторжения и воспаления.
Проведено сравнительное изучение возможности применения различных подходов для стерилизации экспериментальных образцов биосовместимого каркаса, включая наиболее часто используемые и доступные методы: автоклавирование и стерилизация сухим жаром. Показано, что оптимальным неразрушающим методом является автоклавирование. Проведены исследования структуры методом ИК-спектроскопии до и после стерилизации