Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.578.21.0083

Руководитель: Калошкин Сергей Дмитриевич

Должность: Researcher of the Dept. of Material Physics

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:
эндопротезирование, крупные суставы, имплантат, углеродные наноматериалы, полимеры, композиты, свмпэ, ориентационное упрочнение, ацетабулярный компонент

Цель проекта:
Целью работы является разработка новых полимерматричных композиционных материалов для имплантатов подвижных суставов с повышенным уровнем физико-механических и трибологических характеристик. Предлагаемые в работе подходы должны обеспечивать прочное межфазное взаимодействие между полимерной матрицей и наполнителем при максимально равномерном распределении наполнителя по объему материала. Разрабатываемые подходы и способы получения композиционных полимерных материалов для эндопротезирования должны обеспечивать контролируемое достижение задаваемых функциональных характеристик эндопротезов за счет введения углеродных нанонаполнителей и применения методик создания ориентированной структуры в материале.

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящем проекте предлагается реализовать подход, основанный на улучшении эксплуатационных характеристик полимерных вкладышей эндопротезов. В результате проведения исследований будут разработаны методы получения нового класса композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), армированного многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ). Будет выявлено влияние ориентационной вытяжки матричного полимера и степени наполнения МУНТ на физико-механические, трибологические и другие эксплуатационные свойства получаемых композитов. Проведение биологических исследований полимерного нанокомпозита с ориентированной структурой in vivo и in vitro позволит оценить биосовместимость разработанных материалов.
Разработка собственной технологии получения биосовместимых полимерных нанокомпозитов с программируемыми характеристиками позволит выйти на новый уровень создания материалов для эндопротезов крупных суставов, решив целый ряд проблем, связанных с тотальным эндопротезированием и влиянием на организм человека в целом, что дает возможность снизить количество ревизионных операций.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта будут разработаны биосовместимые полимерные нанокомпозиты для эндопротезов крупных суставов. Постоянно возрастающие требования к качеству и сроку службы имплантатов обуславливают актуальность усовершенствования существующих и разработки новых материалов и конструкций. Разработанные в ходе выполнения проекта будут обладать низким коэффициентом сухого трения (менее 0.15), повышенной износостойкостью, высокими значениями предела прочности (более 100 МПа) и модуля Юнга (более 1000 МПа). Таким образом проект предлагает эффективное решение основной проблемы при использовании СВМПЭ в эндопротезировании - износа полимерного вкладыша и сопутствующий ему перипротезный остеолиз. В настоящее время полимерные вкладыши вытачиваются из объемного СВМПЭ, поставляемого зарубежными компаниями. Реализация принципиально нового подхода, заключающегося в изготовлении опытных образцов ацетабулярного компонента методом термического прессования из нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой, позволяет получать продукцию, не имеющую аналогов как в нашей стране, так и за рубежом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Биосовместимый полимерный нанокомпозит по уровню физико-механических и трибологических свойств превосходит традиционные материалы, в частности на основе не наполненного СВМПЭ, применяемых при эндопротезировании в подвижных суставах. 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 разрабатываемого материала узла трения будет его надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и трибологических характеристик ориентированного нанокомпозита, а также точность изготовления, достигаемого при термопрессовании по сравнению с механообработкой.
Разрабатываемые материалы будут иметь несомненные преимущества по технологии их изготовления и возможности получения изделий сложной формы, без существенной усадки. Такие материалы отличаются экологичностью и биосовместимостью, так как не содержат токсичных примесей. Их использование должно позволить выйти на новый уровень осуществления восстановительных хирургических операций.
Предложенный подход создания биосовместимых полимерных нанокомпозитов для эндопротезирования крупных суставов не имеет ограничений по масштабированию технологии производства и позволит организовать выпуск конкурентоспособной продукции, удовлетворяющей современным требованиям.
Результатом внедрения предлагаемых разработок будет обеспечение выпуска отечественных имплантатов по качеству выше, а по ценам в 1,3-2 раза ниже импортных аналогов. В настоящее время зарубежные и отечественные производители эндопротезов суставов устанавливают срок службы до 10 лет, характеристики разрабатываемых материалов имплантатов позволяют рассчитывать на удвоение планируемого срока службы эндопротезов.

Текущие результаты проекта:
Основные научно-технические результаты, полученные в течение 2го года выполнения проекта:
1. Разработана методика введения нанодисперсного углеродного наполнителя в полимерную матрицу с высокой вязкостью расплава.
2. Изготовлены экспериментальные образцы полимерных нанокомпозитов с изотропной и ориентированной структурой.
3. Проведены испытания физико-механических и трибологических свойств образцов полимерных нанокомпозитов с изотропной и ориентированной структурой. Достигнуто увеличение предела прочности более чем в 2 раза, уменьшение коэффициента трения и износа - более, чем в 1,5 раза.
3. Проведены структурные и теплофизические исследования экспериментальных образцов полимерных нанокомпозитов.
4. Разработана эскизная конструкторская документация на пресс-форму для изготовления экспериментальных образцов полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза и изготовлена пресс-форма.
5. Разработан лабораторный технологический регламент изготовления полимерных нанокомпозитов с ориентированной структурой.
6. Разработан план биологических исследований экспериментальных образцов полимерного нанокомпозита с ориентированной структурой in vivo и in vitro.