Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание имплантируемых трехмерных биоконструкций из титановых сплавов с развитым рельефом поверхности и биоактивным наноструктурным покрытием с антибактериальным эффектом

Номер контракта: 14.578.21.0086

Руководитель: Штанский Дмитрий Владимирович

Должность: г.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:
композиционные биоматериалы; покрытия; биоактивность; биосовместимость; антибактериальная активность; шероховатость поверхности

Цель проекта:
1. Создание трехмерных биоконструкций в виде титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности для ортопедии, челюстно-черепно-лицевой хирургии и хирургии позвоночника с улучшенной биоактивностью и бактерицидностью за счет формирования модифицированных слоев и покрытий. 2. • Разработка новых научных подходов и технических решений к получению композиционных материалов с улучшенной остеокондуктивностью за счет получения развитой (шероховатой) поверхности, обеспечивающей хороший механический контакт вследствие врастания новой костной ткани, и функционализации поверхности для придания ей биоактивных характеристик и антибактериальных свойств путем введения бактерицидных элементов в поверхностный слой или лекарственных препаратов в сформированный микрорельеф. • Выработка рекомендаций по использованию полученных имплантатов в медицинской практике. Подготовка нормативной документации для проведения биологических испытаний in vivo.

Основные планируемые результаты проекта:
1. На первом этапе выполнения работы был подготовлен аналитический обзор научных и информационных источников, проведен патентный поиск и на их основании обоснован выбор оптимального решения поставленной задачи. Показана высокая перспективность комплексной обработки поверхности с целью достижения заданных параметров: оптимальной шероховатости поверхности для первичного закрепления клеток и последующего прорастания костной ткани, биоактивных характеристик поверхности путем нанесения биоактивного покрытия и антибактериальных свойств путем введения бактерицидного элемента.
Для создания заданного рельефа поверхности была апробирована технология импульсной электроэрозионной обработки (ИЭО), а для придания поверхности биоактивных свойств в состав электрода на основе карбонитрида титана вводили функциональные добавки фосфата кальция. Для синтеза электродных материалов были использованы два метода: самораспространяющейся высокотемпературный синтез (СВС) и горячее прессование.
Были отработаны технологические режимы и осуществлен синтез новых электродных материалов (ЭМ). Были проведены структурные исследования полученных ЭМ. Показано, что данными методами могут быть получены электроды с необходимым содержанием функциональных элементов для их последующего переноса на поверхность имплантата. Электроды представляет собой связанный каркас из зерен нестехиометрического карбида титана с равномерно распределенной по границам зерен фазой фосфата титана Ti3POx и локальными выделениями оксида кальция CaO. Также были получены электроды с содержанием антибактериального компонента (серебра) на уровне 2 ат.%. Серебро находилось в виде отдельной металлической фазы и практически не влияло на структуру СВС ЭМ. Электроды, полученные по технологии порошковой металлургии, представляли из себя пористый титановый каркас (пористость 20-35%) с равномерными включениями фосфата кальция. ЭМ имели необходимую для технологии ИЭО прочность.
Выполнены предварительные эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом ИЭО с использованием новых ЭМ. В процессе ИЭО происходит одновременное формирование заданной топографии поверхности и легирование поверхности материалом электрода. Показано, что при ИЭО на воздухе в случае спеченных электродов Ti-Ti3POx-CaO происходит взаимодействие не связанного титана с кислородом и азотом с образованием в покрытии оксидов и нитридов титана. В случае СВС-электродов TiCх-Ti3POx-CaO, не наблюдалось образования самостоятельной фазы оксида титана. Са, P и Ag были равномерно распределены по поверхности модифицированного слоя. Определен диапазон изменения параметров шероховатости покрытий в зависимости от режимов обработки: Ra=1,5-2,7 мкм, Rmax=18,3-29,5 мкм.
Были разработаны многокомпонентные биоактивные наноструктурированные покрытия с антибактериальным эффектом за счет научно-обоснованного легирования антибактериальным элементом - серебром. Покрытия получены путем одновременного магнетронного распыления СВС мишени TiС-10%Ca3(РО4)2 и ионного распыления металлической мишени серебра. Оптимизация технологических режимов позволила получить покрытия с содержанием серебра в диапазоне 0,4-3 ат.%.
Соисполнителями проекта были разработаны методики оценки биосовместимости и биоактивности новых видов материалов in-vitro и оценки бактерицидных свойств новых материалов с использованием патогенных бактерий. Индустриальным партнером выполнено изготовление титановых имплантатов для челюстно-лицевой хирургии для последующего осаждения наноструктурированных биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом.
На втором этапе были разработаны технология и лабораторный регламент получения электродных материалов методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), спекания (СП) и горячего прессования (ГП) на основе биосовместимой металлической и металлокерамической композиции, содержащей в своем составе функциональные легирующие добавки.
Проведены эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки (ИЭО) на воздухе и в защитной атмосфере с использованием новых электродных материалов (ЭМ). Нанесение покрытий осуществлялось в диапазоне энергий импульсных разрядов Е=0,038 – 0,096 Дж; ∑Е=1,84-12,96 кДж/мин при прямой и обратной полярности. Установлен оптимальный режим обработки титанового сплава ВТ1-0 (среда аргон) при применении СВС-электродного материала Ti + C + 15% Ca3(PO4)2 (обратная полярность электродов; I=120A, f=640 Гц, τ=20 мкс, Е=0,048 Дж, ∑Е=1,84 кДж/мин). Данный режим характеризуется максимальной величиной суммарного привеса катода (5,3×10-4 см3) и максимальным коэффициентом переноса (Кп=62%).
Проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между режимами импульсной электроэрозионной обработки и составом, структурой и топографией модифицированного слоя. Изучены особенности массопереноса электродных материалов Ti + C + Х% Ca3(PO4)2 (х=10, 15, 20 %) на установленном оптимальном частотно-энергетическом режиме на воздухе и в защитной атмосфере (аргон). Выявлено, что увеличение биоактивной добавки Ca3(PO4)2 в электродном материале с 10 до 20% способствует снижению шероховатости покрытий.
Параллельно с разработкой технологии модифицирования поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки, проводились эксперименты по модифицированию поверхности вакуумными методами, а именно магнетронным распылением (МР). Разработаны различные методы введения антибактериального элемента (серебра) в состав покрытия Первый способ заключается в имплантации ионов серебра в предварительно осажденное покрытие TiCaPCON. Второй способ состоит в одновременном распылении композиционной СВС-мишени TiC0.5-Са3(РО4)2 и распыления металлической мишени Ag с помощью дополнительного ионного источника.
Проведены структурные исследования покрытий методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда (ОЭСТР) и спектроскопии комбинационного рассеяния. Показано, что независимо от способа введения серебра, на поверхности МР покрытий наблюдается образование наночастиц серебра размером 5-10 нм. Используя различные режимы дополнительного ионного травления, можно обеспечить частичное или полное удаление наночастиц серебра с поверхности покрытий.
Установлено, что при выбранном режиме ИЭО (I=120 A, f=640 Гц, τ=20 мкс) на подложках из титанового сплава ВТ1-0 формируются сплошные покрытия толщиной до 30 мкм. Поверхностный слой состоит из частиц размером меньше 1 мкм. Выявлено, что формирование покрытий происходит преимущественно за счет твердофазных продуктов эрозии, в результате чего в поверхностном слое наблюдаются фрагменты электродного материала. Увеличение количества биоактивной добавки Ca3(PO4)2 приводит к росту содержания кальция и фосфора в покрытиях.
Проведенные исследования механических свойств ИЭО-слоев, что наибольшей твердостью 12 ГПа обладают покрытия, полученные с применением электродов TiC+20% Ca3(PO4)2. Твердость покрытий, полученных с использованием электрода TiC+10% Ca3(PO4)2+10%Ag при обработке в защитной среде (аргон) составила 10 ГПа, а на воздухе – 7 ГПа. В зависимости от содержания серебра, твердость МР покрытий TiCaPCON-Ag составила 16-28 ГПа, модуль упругости 185-230 ГПа, упругое восстановление 49-68%.
Изучение краевого угла смачивания показало, после ИЭО все модифицированные слои гидрофобны: наименьший угол смачивания 45° был покрытия, полученного при использовании электрода TiC+10% Ca3(PO4)2+10%Ag, нанесенным в аргоне. Независимо от метода введения серебра и проведения дополнительного ионного травления, после напыления все МР покрытия обладают гидрофильными характеристиками. Хранение на воздухе приводит к увеличению среднего значения угла смачивания, однако покрытия сохраняют свои гидрофильные свойства.
Сотрудниками ФБГУ РОНЦ им. Блохина, являющимися соисполнителями проекта, была исследована биосовместимость антибактериальных покрытий in vitro.
Сотрудниками ГНЦ ПМБ, являющимися соисполнителями проекта, исследован бактериостатический эффект антибактериальных покрытий.
Индустриальным партнером выполнено изготовление титановых имплантатов для хирургии позвоночника (пластины накостные) для последующего осаждения наноструктурированных биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом.
2. Экспериментальные образцы должны обладать следующими характеристиками: остаточная пористость электродных материалов, предназначенных для ИЭО:  20-40%; адгезионная прочность модифицированного методом ИЭО слоя:  80 ГПа; шероховатость поверхности материалов после ИЭО: 1-10 мкм; адгезионная прочность покрытия  20 ГПа; твердость покрытий:  15 ГПа; модуль упругости покрытий:  220 ГПа; краевой угол смачиваемости покрытий:  60о; выхода бактерицидного компонента за первые сутки:  1510-7%; бактерицидный эффект (торможение роста колоний бактерий), по сравнению с контролем без бактерицидного компонента:  50%; биоактивные характеристики покрытия (активность щелочной фосфатазы), по сравнению с контролем без бактерицидного компонента: допустимо снижение не более чем на 20%.
Разрабатываемые антибактериальные покрытия должны обладать биосовместимостью и не угнетать рост клеток, инкубированных на их поверхности.
Разрабатываемые биоматериалы должны быть пригодны для длительного срока службы в организме человека.
Методика оценки биосовместимости и биоактивности новых видов материалов in vitro должна обеспечивать 95%-ную воспроизводимость результатов предлагаемых тестов.
Методика оценки бактерицидных свойств новых материалов с использованием патогенных бактерий должна обеспечивать объективную оценку бактерицидных свойств по отношению к патогенным микроорганизмам при отсутствии цитотоксичности по отношению к тканям реципиента.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Основным результатом проекта будет создание трехмерных биоконструкций в виде титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности для ортопедии, челюстно-черепно-лицевой хирургии и хирургии позвоночника с улучшенной биоактивностью и бактерицидностью, а также технология получения данных материалов. Выполнение проекта позволит решить актуальную проблему современной медицины, связанную с отсутствием материала, обладающего высокой антибактериальной активностью без ущерба для биосовметимости.
2. Разработан новый комплексный подход к получению композиционных материалов с улучшенной остеокондуктивностью за счет получения развитой (шероховатой) поверхности, обеспечивающей хороший механический контакт вследствие врастания новой костной ткани, и функционализации поверхности для придания ей биоактивных характеристик и антибактериальными свойствами путем введения бактерицидных элементов в поверхностный слой или лекарственных препаратов в сформированный микрорельеф.
Разработаны новые составы электродных материалов и технология их получения методом СВС.
Разработаны новые составы биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом и технология их получения различными методами: (а) одновременное магнетронное распыление СВС композиционной мишени TiC-Ca3(PO4)2 и ионное распыление мишени серебра; (б) ионная имплантация высокоэнергетических ионов серебра в ранее осажденное биоактивное покрытие TiCaPCON, (в) магнетронное распыление СВС мишени, легированной бактерицидным компонентом (бором, серебром) на стадии зашихтовки.
Впервые получены экспериментальные образцы имплантатов, обладающих биоактивными и антибактериальными свойствами, а также подтверждена биологическая совместимость разработанных материалов.
В ходе выполнения проекта оформлено одно ноу-хау на состав многокомпонентного биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом (зарегистрировано в Депозитарии МИСИС №33-164-2015 ОИС от 06.10.2015).
3. Уровень проводимых ПНИЭР в области получения и обработки титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности для ортопедии, челюстно-черепно-лицевой хирургии и хирургии позвоночника с улучшенной биоактивностью и бактерицидностью за счет формирования модифицированных слоев и покрытий не уступает мировому, а в ряде случаев и превышает мировой уровень, о чем свидетельствуют многочисленные публикации исполнителей работы в ведущих отечественных и зарубежных журналах.
4. Модифицирование поверхности металлических биоматериалов с целью одновременного увеличения шероховатости поверхности и насыщения функциональными элементами проводится методом импульсной эрозионной обработки (ИЭО). Шероховатость покрытий находится в пределах 1-10 мкм, что обеспечивает необходимый уровень клеточной адгезии. В отличие от всех других методов, применение метода ИЭО позволяет решить несколько актуальных проблем одновременно: формообразование контролируемого рельефа (в том числе участков различной шероховатости) и создание необходимой толщины (от 1-2 мкм до 100 мкм), получение требуемого химического состава и заданных свойств на поверхности имплантата. Это достигается выбором состава электродного материала, режимами ИЭО и условиями (средой) модифицирования поверхности.
Последующее модифицирование поверхности трехмерных био-конструкций осуществляется путем магнетронного напыления наноструктурированного покрытия оптимального состава. На основе концепции нанокомпозиционных материалов возможно создание покрытий, в которых одни фазовые компоненты обеспечивают хорошие механические характеристики, а другие являются биоактивными. За счет оптимизирования элементного и фазового состава получены многокомпонентные биоактивные наноструктурированные покрытия с превосходным сочетанием химических, механических, и биологических свойств, предназначенных для модифицирования поверхности имплантатов, испытывающих статические и динамические нагрузки. Предыдущие исследования структуры и свойств многокомпонентных покрытий показали, что оптимальным составом является Ti (23-25ат%), Сa (1-1,3ат%), P (0,5-0,6), C (30-33%), O (4-6ат%), N (32-34ат%). Данный состав приводит к формированию плотной, нанокристаллической структуры, которая обеспечивает комплекс высоких механических, трибологических, адгезионных и коррозионных характеристик. Наличие функциональных добавок (Ca, P, O) обеспечивает биоактивность поверхности покрытий. Для придания материалу антибактериальных характеристик в состав покрытия вводится антибактериальный компонент (серебро, бор). В рамках настоящего проекта за счет варьирования параметров технологического режима нанесения покрытий (ток магнетрона, ток и напряжение ионного источника, смещение, диаметр калибровочной диафрагмы, время осаждения покрытий, состав мишени) получены покрытия с содержанием серебра 0,4-4% и бора 5-15%.
Другим возможным решением является насыщение поверхности покрытия с развитым рельефом лекарственным препаратом. В качестве лекарственного препарата будет использоваться амоксициллин (торговое название – Аугментин) – антибиотик широкого спектра действия, оказывающий бактерицидное действие. Насыщение поверхности лекарственным препаратам будет обеспечивать эффективное антибактериальное действие в начальный период, что позволит предотвратить образование плотного слоя высокоадгезивных бактерий на поверхности покрытий.
Исследование состава, структуры и топографии модифицированных слоев и покрытий выполняется с использованием современных аналитических методов, включая сканирующую электронную микроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ, оптическую эмиссионную спектроскопию тлеющего разряда, спектроскопию комбинационного рассеяния и инфракрасную спектроскопию, атомно-силовую микроскопию, оптическую профилометрию.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемые имплантаты могут быть использованы в ряде лечебных учреждений РФ, в частности, в городских больницах, имеющих травматологические отделения, онкологических диспансерах, а также в специализированных научно-исследовательских центрах травматологии, ортопедии и онкологии. Биоимплантаты также могут быть использованы в клинической ветеринарной практике для замещения дефектов костей у домашних животных.
2. Использование разрабатываемых материалов для создания имплантатов позволит обеспечить более эффективное и быстрое приживание имплантатов и существенно снизить риски возникновения бактериальной инфекции. В результате длительность и стоимость реабилитационного периода будет сокращаться, и в целом обеспечивать более высокий уровень жизни населения.
3. Полученные результаты и разработанные методы имеют высокую научную значимость и могут быть использованы для постановки ОТР, направленных на разработку технологии получения поверхностно-модифицированных титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности и биоактивным наноструктурным покрытием с антибактериальным эффектом.
4. Результаты работы опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах по тематике проекта, таких как Colloids and Surfacеs B: Biointerfaces (IF=4,152), Ceramic International (IF=2,605), Protection of Metals and physical chemistry of surface (IF=0,704). Также полученные результаты представлены на крупной международной конференции – «Кристаллофизика и деформационное поведение материалов» (Москва). Проведенные мероприятия по демонстрации полученных научно-технических результатов способствуют развитию информационной инфраструктуры.

Текущие результаты проекта:
Получены экспериментальные образцы композиционных электродных материалов в системе Ti–C–Ca3(PO4)2–Co–Ag–Mg методом силового СВС- компактирования. Методами РФА, СЭМ и ЭДС изучена структура электродов. Изучены физические свойства полученных электродных материалов: гидростатическая и истинная плотности; остаточная пористость; средний размер зерна карбидной фазы.
Проведены эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом ИЭО в различных средах. Исследована кинетика массопереноса электродных материалов, изготовленных из реакционных смесей (100% – X)(Ti + 0,5C) + 10%Ca3(PO4)2 + X% Co, при Х = 0, 10, 20, 30 % при осуществлении импульсной электроискровой обработки в защитной атмосфере аргона и на воздухе. Шероховатость модифицированных слоев (Ra) составила 1,6-2,1 мкм. Анализ состава поверхности сформированных модифицированных слоев выявил равномерное распределение кальция и фосфора (на уровне 1-2 ат.%) и рост концентрация кобальта (от 1 до 6 ат.%) с увеличением его содержания в наносимом электродном материале.
Разработан проект лабораторного регламента получения экспериментальных образцов имплантатов с покрытием. Разработанный лабораторный регламент описывает технологические режимы нанесения биоактивных и биосовместимых наноструктурных покрытий (ББНП) Ti-Ca-P-C-O-N, легированных добавками серебра на титановые имплантаты. Приведено подробное описание оборудования и методики подготовки имплантатов и режимов осаждения биоактивных и биосовместимых наноструктурных покрытий.
Проведены параметрические исследования, устанавливающих взаимосвязь между режимами осаждения покрытий и их составом, структурой и функциональными свойствами. Структурные исследования показали, что при увеличении содержания бора происходит уменьшение толщины колонн с 50 до 20 нм. Покрытия имели твердость 20-24 ГПа, модуль упругости 214-231 ГПа.
Изучено распределение антибактериального компонента в покрытиях. Показано, что за счет варьирования состава бор-содержащей мишени и технологических режимов напыления можно обеспечить содержание бора в покрытии в диапазоне 5-18 ат%.
Впервые исследована биоактивность покрытий TiCaPCO(N) и Ag-TiCaPCO(N) в растворе, имитирующем внутреннюю среду организма. Показано, что биоактивность покрытий, полученных методом магнетронного распыления, не уступает известным биоактивным материалам типа биостекол.
Зарегистрировано ноу-хау «Бор-содержащие биоактивные покрытия c антибактериальным эффектом» №33-164-2015 ОИС от 06.10.2015.
Исследована биосовместимость антибактериальных покрытий in vitro. Показано, что покрытия TiCaPCON-B способны поддерживать высокий уровень пролиферации остеобластных клеток МС3Т3-Е1 в течение 5 дней.
Изготовлены титановые имплантаты для хирургии позвоночника (контейнерные кейджи) для осаждения покрытий.